Bereit für den Job der Zukunft? WEITERBILDUNG MIT FRAUNHOFER Erleben Sie Innovationen, qualifizieren Sie sich berufsbegleitend und sichern Sie sich Ihren Wissensvorsprung. www.academy.fraunhofer.de

4 - Fraunhofer – Das Magazin 4.19 Inhalt 10 Aufbruch in eine neue Ära Die Fraunhofer-Gesellschaft bringt gemeinsam mit IBM den ersten Quantencompu- ter nach Deutschland – und auch weitere Quantentech- nologien in die Anwendung. Quanten- computing wird der Forschung in der EU zu ungeahnten Möglich- keiten verhelfen. 32 Genuss ist planbar Fraunhofer-Fachleute entwickeln die Köstlichkeiten der Zukunft. 03 06 10 32 34 Editorial Kurz gemeldet, Impressum Titelgeschichte: Quanten auf dem Sprung Willkommen in einer Welt, wo nichts logisch erscheint – aber alles in naher Zukunft möglich werden kann! So bringt Fraunhofer die neuen Technologien in Richtung Anwendung. Forschen für das große Mmmmh Weniger Fett, weniger Salz und trotzdem ganz viel Genuss? Fraunhofer-Forschende machen es möglich. Die Revolution kommt tröpfchenweise Zehn Jahre Forschung, eine Ausgründung: Neue Chancen für die Medikamentenentwicklung. 36 38 40 44 Ihr Kinderlein — wartet? Eine EU-Verordnung will Kranke schützen, macht aber kleinen Patienten und Patientengruppen das (Über-)Leben schwer. Fraunhofer arbeitet daran, die Folgen zu mildern. O Tannenbaum, o Tannenbaum! Wie nachhaltig ist unser wichtigstes Weihnachtsaccessoire? Fakten, Daten und Zahlen. Vom Auto ins All Kann Technik aus dem Automobilbau der Weltraumfahrt zu neuen Möglichkeiten verhelfen? Wie aus Fliegenlarven ein nobles Mahl wird Eine nachhaltige Lösung für wertvolles Protein: Nun muss die Schwarze Soldatenfliege nur noch die Ekelhürde nehmen. © IBM Research, Sven Döring, iStock, Dina Giangregorio /F1online, SpaceX, Jochen Zick / action press, Stocksy

6 - Fraunhofer. Das Magazin 4.19 Mit KI sicher durch den Körper navigieren Bei einem Schlaganfall zählt jede Minute. Sind große Blutgefäße durch Gerinnsel verstopft, muss der Opera- teur den Verschluss so schnell wie möglich mithilfe eines Katheters entfernen — sonst drohen schwere Hirn- schäden. Doch den kompli- zierten Eingriff können nur wenige Spezialisten aus- führen. Fraunhofer-Forscher setzen auf Künstliche In- telligenz, die den Kathe- ter zuverlässig und schnell navigiert. Der Katheter wird in der Leiste eingeführt und bis ins Gehirn vorgeschoben. © Fraunhofer IPA Jährlich erleiden 270 000 Menschen in Deutschland einen Schlaganfall Ärzte therapieren den Schlaganfall häufig mit einer Thrombektomie – einem Eingriff, bei dem über einen Gefäßzugang in der Leiste ein dünner Katheter über die Hauptschlagader bis in das verschlossene Hirngefäß vorgeschoben wird. Im Bereich des Gefäßverschlusses öffnet sich ein sogenannter Stent-Retriever – ein winziges korbähnliches Geflecht – und verhakt sich mit dem Gerinnsel. Beim Zurückziehen des Katheters bleibt der Pfropfen an der Geflecht- struktur hängen und wird so entfernt. Dieses Verfahren dauert 45 Minuten bis zu dreieinhalb Stunden, je nach Expertise des Operateurs. Die Thrombektomie setzt eine lange Ausbildung und viel Übung voraus. Allein zehn bis 90 Minuten benötigt der Mediziner, um den Katheter zum Blutgerinnsel zu navigieren. Jetzt soll ein computergesteuerter Katheter Abhilfe schaffen. »Die Operation selbst, also das Herauslösen des Blutpfropfens mithilfe des Stent-Retrievers, führt nach wie vor der Arzt durch. Aber die komplizierte Navigation dorthin, bei der schwierige Anatomien zu überwinden sind, soll künftig ein autonom gesteuerter Katheter erledigen«, sagt Johannes Horsch, wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Projekt- gruppe für Automatisierung in der Medizin und Biotechnologie PAMB am Fraunhofer-Institut für Automatisierung und Produktionstechnik IPA. Die autonome Intervention per Katheter ist nicht nur bei einem Schlaganfall möglich, sie lässt sich auch bei der endovaskulären Operation von Herzinfarkten oder Lebertumoren anwenden. Ermöglicht werden soll die Navigation durch Deep Reinforcement Learning (DRL), eine Methode, mit der sich neuronale Netze trainie- ren lassen. Sie ähnelt der Art, wie Menschen lernen. Die Besonderheit von DRL: Der Algo- rithmus generiert die Daten zum Trainieren des neuronalen Netzes eigenständig durch perma- nentes Üben am Computer-Simulationsmodell – einer virtuellen Nachbildung eines Gefäßbaums und Katheters, mit der der reale Algorithmus interagieren kann. »Mit dem Modell können wir virtuell alle mög- lichen Bewegungen des Katheters simulieren und das neuronale Netz bis zu einem gewissen Stadium trainieren. In bisherigen Tests am Simu- lationsmodell waren wir in 95 Prozent der Fälle erfolgreich, sprich der Katheter konnte in einem vereinfachten Szenario problemlos autonom zum Gefäßverschluss navigiert werden«, sagt Horsch.

8 - Fraunhofer. Das Magazin 4.19 Mit »s« oder »ß«? Ein Stift könnte in Zukunft helfen, Rechtschreibfragen zu klären. © Stocksy/F1online Intelligenter Stift soll das Schreiben lernen leichter machen Ein Stift, der beim Schreiben auf Rechtschreibfehler auf- merksam macht? Das wünscht sich wohl jeder Schüler. Forscher des Fraunhofer-Instituts für Integrierte Schaltungen IIS in Erlangen arbeiten daran, diesen Wunsch zu erfüllen. Ausgestattet mit Sensorik, soll der intelligente Stift nicht nur Rechtschreibfehler korrigieren. »Der Stift ist als intelligentes Hilfsmittel gedacht – es soll Kinder auch dabei unterstützen, den Automationsgrad ihrer Handschrift und ihr Schriftbild selbstständig zu verbessern«, sagt Julia Knopf, Professorin für Fachdidaktik Deutsch Primarstufe an der Universität des Saarlandes, die zusammen mit Partnern aus der Industrie an dem Verbundprojekt beteiligt ist. Das Prinzip klingt einfach: Während man mit dem Stift auf Papier schreibt, wird die Schrift in Echtzeit auf ein Tablet übertragen und von der Sensorik aus- gewertet. Doch die Aufgabenstellung ist wesentlich komplexer: »Ein wichtiger Teil der Studie behandelt die Frage, wann und über welche Methoden die Rückmeldung zur Rechtschreibung erfolgen soll und wie das didaktische Übungsszenario aussieht«, erläu- tert Knopf. Sobald die Übungskonzepte entwickelt sind, werden sie vermutlich ab 2022 an verschiede- nen Schulen erprobt. Fettabdrücke ade Türgriffe, Armaturen oder Kühlschränke mit Edelstahloberfläche sehen immer schick und edel aus — bis man sie anfasst. Dann bleiben unschöne, fettige Fingerabdrücke zurück, die sich nur mit Mühe entfernen lassen. Ein neuer Nanolack, den Forscher des Fraunhofer- Instituts für Mikrostruk- tur von Werkstoffen und Systemen IMWS entwickelt haben, soll das künftig verhindern. Fett und Wasser perlen an dem neuen Lack einfach ab. © iStock Impressum Fraunhofer. Das Magazin, Zeitschrift für Forschung, Technik und Innovation. ISSN 1868-3428 (Printausgabe) ISSN 1868-3436 (Internetausgabe) Herausgeber: Fraunhofer-Gesellschaft Hansastraße 27c, 80686 München Redaktionsanschrift wie Herausgeber Telefon +49 89 1205-1301 magazin@zv.fraunhofer.de www.fraunhofer.de/magazin Kostenloses Abonnement: Telefon +49 89 1205-1301 publikationen@fraunhofer.de Der innovative Nanolack ist wasser- und ölabweisend. Er enthält spezielle Partikel, die sich an der Oberfläche des Edelstahls anlagern. Die Folge: Die Ober- fläche wird rauer und vergrößert sich. Fasst man jetzt an die Kühlschranktür, berührt man die Oberfläche nur an den erhöhten Stellen – das Fingerfett erreicht die tiefer liegenden Bereiche nicht und der »Fingerpatscher« fällt kaum auf. »Wir untersuchen: Wie groß sind die einzelnen Partikel in den verschiedenen Lacksystemen? Sind die Partikel homogen verteilt? Wie wirken sich die eingesetzten Additive aus?«, erklärt Dr. Jessica Klehm, wissenschaftliche Mitarbeiterin im Ge- schäftsfeld »Biologische und makromole- kulare Materialien« am Fraunhofer IMWS. Nur so lässt sich die Qualität des Lacks beurteilen. Lagern sich die Nanoparti- kel beispielsweise zu größeren Partikeln zusammen, büßt der Lack eventuell seine Transparenz ein. Sind die Teilchen dagegen zu klein, bleibt die Oberfläche zu glatt – der Fettfilm könnte dann trotz des Lacks großflächig an ihr haften. Einen Favoriten unter den analysierten Lacksystemen haben die Forscher bereits gefunden. Nächstes Jahr soll die Herstel- lung des Lacksystems in einen industriel- len Maßstab übertragen werden. Redaktion: Janis Eitner (V.i.S.d.P.), Josef Oskar Seitz (Chef redak tion), Dr. Sonja Endres, Roman Möhlmann Redaktionelle Mitarbeit: Janine van Ackeren, Mandy Bartel, Christine Broll, Alexandra Goßner, Sirka Henning, Daniela Leitner, Eric Schütz (2issue), Mehmet Toprak, Monika Weiner, Britta Widmann, Winnie Winkler. Layout + Litho: Vierthaler & Braun Titelbild: Sven Döring für Fraunhofer Druck: H. HEENEMANN GmbH, Berlin © Fraunhofer-Gesellschaft e.V. München 2019

10 - Fraunhofer. Das Magazin 4.19 Faszination Quanten Abenteuer Zukunft — es hat begonnen!

12 - Fraunhofer. Das Magazin 4.19 gleich- zeitig einnehmen. Das ist nicht die einzige Marta Gilaberte Basset arbeitet in ihrem Labor an neuen Technologien für angewandte Quantenbildgebung. © Sven Döring ......

14 - Fraunhofer. Das Magazin 4.19

16 - Fraunhofer. Das Magazin 4.19 Willkommen in der Welt der Quanten, wo nichts logisch, aber alles möglich scheint. Hier beginnt für uns die Reise in ein neues Zeitalter, in dem Quantentechnologien uns helfen, die Welt besser zu verstehen und zu organisieren. Fraunhofer bringt sie in die Anwendung. Text: Mandy Bartel

18 - Fraunhofer. Das Magazin 4.19 Fünf Branchen, die Quanten- technologien verändern werden1 Medizin und Gesund- heitswesen Bessere Einblicke in biologische Prozesse, effi- zientere Ent- wicklung von Medikamenten, Verbesserung von Diagnose- verfahren Hat Europa wieder einmal das Nachsehen? In Deutschland ist Prof. Manfred Hauswirth, Institutsleiter des Fraunhofer- Instituts für Offene Kommunikationssysteme FOKUS in Berlin, der Überzeugung, dass es für Europa noch nicht zu spät ist. »Wir haben in Deutschland und Europa ein tiefes Anwen- dungsverständnis, wir kennen die großen Produktions- und Branchenprozesse und wir haben die notwendige Expertise im Bereich quantenphysikalischer Prozesse. Darauf kommt es in der jetzigen Phase an, in der Quantentechnologien für die Anwendung erforscht werden. Denn auf dem Weg zu einer wirklichen praktischen Nutzung«, sagt der Experte, »stehen wir erst am Anfang.« Die Quantencomputer kommen Diese Anfänge sind vielversprechend – und sie bestimmen die Schlagzeilen der letzten Monate. Es begann mit der kleinen Meldung Ende September, Google habe erstmals die Quan- tenüberlegenheit nachgewiesen. Ein 53-Qubit-Quantencom- puterchip des Internetriesen soll eine Berechnung eines sehr speziellen Zufallszahlenproblems in etwas mehr als drei Minu- ten gelöst haben, für die der leistungsstärkste Supercomputer derzeit schätzungsweise 10 000 Jahre brauchen würde. Wett- bewerber IBM beanstandete die wissenschaftliche Beweiskraft: Das Potenzial des klassischen Superrechners sei nicht ausge- Willkommen in der Quantenwelt Quantenphysik ist in unserem Alltag praktisch kaum erleb- bar. Alles für uns direkt Erfahrbare – alle makroskopischen, größeren Dinge – gehorcht den Prinzipien der klassischen Physik. Doch im Kleinen, auf atomarer Ebene, werden diese auf den Kopf gestellt: Denn dort zeigen sich die Ge- setze der Quantenphysik. Und die erscheinen nicht nur auf den ersten Blick merkwürdig: Elementarteilchen können sich wie Teilchen oder Wellen verhalten. Sie können sich überlagern und damit mehrere Zustände gleichzeitig ein- nehmen. Und sie lassen sich miteinander verschränken, so dass ein Teilchen immer die komplementäre Information zu seinem Zwilling besitzt – egal wo dieser sich befindet. Vor allem die Unsicherheit des Zustands eines Teilchens ist in der Quantenmechanik fundamental. Es befindet sich in einer sogenannten Superposition von verschiedenen möglichen Zuständen. Kurz: Nichts steht fest, aber alles ist möglich. Es geht also um Wahrscheinlichkeiten, genauer um Wahrscheinlichkeitswellen. Erst wenn man ein Teilchen beobachtet oder misst, weiß man, an welcher Position, in welchem Zustand es sich genau befindet – und zerstört damit gleichzeitig den Quantenzustand. 1913 Niels Bohr entwickelt erste Vorstellung von einem quantisierten Atom Geburtsstunde der Quantenphysik Max Planck stellt die Quantentheorie auf: Licht besteht aus winzigen, unteilbaren Energiepaketen, den Quanten 19001900 1915 1915 Albert Einstein stellt die Allgemeine Relativitätstheorie auf und geht von Licht photonen als Teilchen aus 1924 1924 Louis-Viktor de Broglie begründet den Welle- Teilchen-Dualismus

20 - Fraunhofer. Das Magazin 4.19 2Logistik und Verkehr Optimierte Routen- planungen, effizientere Standortent- scheidungen z.B. für Lagerhäuser, Optimierung von Energie- netzwerken Im Januar 2019 stellte IBM den ersten kommerziell – also außerhalb von Laborumgebungen – nutzbaren Quantencom- puter vor, den IBM Q System One. Um die anwendungsnahe Quantencomputing-Forschung in der EU voranzubringen, soll diese ab 2021 von einem Konsortium aus sieben Fraunhofer- Instituten in Deutschland betrieben werden. »Eine unserer zentralen Forschungsfragen ist, welche konkreten Anwen- dungsszenarien der Industrie sich für die Berechnung mit einem Quantencomputer eignen und wie sich die notwen- digen Algorithmen dafür entwickeln und einfach in Applika- tionen übersetzen lassen«, erklärt Hauswirth. Weitere Ziele der Initiative sind, die Einstiegsschwelle für Unternehmen möglichst niedrig zu halten und einen Wissenstransfer in die Wirtschaft zu etablieren, um dort frühzeitig Fachkompeten- zen für Quantencomputing aufzubauen. Noch gibt es erhebliche Hürden für den Betrieb eines Quantencomputers. Oberste Prämisse ist es, die fragilen Quanten gegen sämtliche Umwelteinflüsse abzuschirmen. Sie benötigen eine Temperatur niedriger als im All, müssen fast auf den absoluten Nullpunkt von etwa minus 273 Grad her- abgekühlt werden, arbeiten nur unter Vakuumbedingungen, müssen elektromagnetisch abgeschirmt sein – nur so bleibt die Chance auf brauchbare Berechnungen. Fehler können so- wohl durch externe Einflüsse wie Erschütterungen auftreten als auch bei der Manipulation und dem Auslesen von Qubits mithilfe von elektromagnetischen Wellen. Komplexe Probleme knacken Doch welche konkreten Aufgaben können Quantencomputer lösen? »Quantencomputer werden in wenigen Jahren Prim- faktoren sehr effizient zerlegen können. Dies wird bisherige Kryptosysteme angreifbar machen. Deshalb wird derzeit sehr aktiv an Post-Quantum-Verschlüsselung geforscht«, erklärt Hauswirth. In einigen Jahren werden sie noch komplexere John Bell erstellt Bellsche Ungleichung: 1966 Es gibt keine lokalen verborgenen Parameter, die das Verhalten eines Quantensystems bestimmen 1958 erster Mikrochip 1974 Doppelspaltexperiment mit einzelnen Elektronen beweist die Theorie des Welle-Teilchen-Dualismus 19601960 erster Laser e i t den s 90er 90er Jahr e n Beginn der zweiten Quantenrevolution durch Manipulation und Kontrolle einzelner Quanten 1982 1982 1982 Alain Aspect beweist mit Experimenten die Hypothese der Quantenverschränkung

22 - Fraunhofer. Das Magazin 4.19 Projekten, die sogenannte stochastische partielle Dif- ferentialgleichungen wie die Fokker-Planck-Gleichungen nutzen. Diese werden gebraucht bei der Entwicklung von Lithium-Ionen-Batterien oder Windturbinen, bei Berechnun- gen granularer Strömungen oder auch zur Beschreibung der Preisentwicklung in der Finanzmathematik. Solche Glei- chungen lassen sich in quantenmechanische Gleichungen umwandeln und mit Quantencomputern vermutlich viel schneller berechnen als bisher.« Auf dem Sprint zur Quanten-KI Echte Sprunginnovationen liefern soll der Quantencomputer bei der künstlichen Intelligenz (KI). Durch die Verbindung der zwei Schlüsseltechnologien entsteht aktuell ein neues interdisziplinäres Forschungsgebiet: das Quanten-Maschinelle Lernen (QML). Prof. Christian Bauckhage vom Fraunhofer- Institut für Intelligente Analyse- und Informationssysteme IAIS in Sankt Augustin erläutert den Zusammenhang: »Mathematisch betrachtet sind viele KI-Probleme sogenann- te kombinatorische Optimierungsprobleme, etwa optimale Lieferrouten zu bestimmen. Wenn solche Probleme komplex sind, also viele Variablen enthalten, ist es heute auf digitalen Computern sehr schwer bis unmöglich, optimale Lösungen in vertretbarer Zeit zu finden. Quantencomputern hingegen könnten dies in kürzester Zeit bewältigen.« Quanten-Pionier John Stewart Bell (links), Vater der Bellschen Ungleichung, mit seinem Kollegen Veltman 1973 am CERN. © akg-images Wie funktioniert ein Quantencomputer? Während ein klassischer Rechner mit Bits rech- net, nutzt ein Quanten computer Qubits. Diese können nicht nur die Werte 0 oder 1 annehmen, sondern durch die Überlagerung von Quantenzu- ständen auch jede beliebige Kombination aus beidem. Erst wenn ein Qubit gemessen wird, wird es auf einen konkreten Wert festgelegt. Jedes zusätzliche Qubit verdoppelt dabei die Leis- tungsfähigkeit des Systems — bei 50 Qubits gäbe es also zwei hoch 50 Kombinationsmöglichkeiten. Auf diese Weise lassen sich größere Probleme und komplexere Aufgaben parallel statt linear berechnen. klassisches Bit 1 2 up 1 2 down Qubit- Analogie Man kann sich Qubits als rotierende Teilchen vorstellen, deren Rotationsachse sich erst auf eine Position festlegt, wenn man misst. Gerechnet wird mit Korrelationen von Qubit-Zuständen. 5 Kriterien für einen Quantencomputer nach David Di Vincenzo* 1. Das System besteht aus 2. Es muss möglich sein, einem skalierbaren System gut charak- terisierter, also gut verstandener Qubits. die Qubits in einen definierten Anfangs- zustand zu versetzen, also zu kontrollieren. *Pionier der Quanteninformatik, Professor für Theoretische Physik an der RWTH Aachen

24 - Fraunhofer. Das Magazin 4.19 1 Worum geht’s in dem Projekt? Ziel ist es, die Vorteile der Quantenphysik für Anwendungen in der Bildgebung zu erforschen und erste Demonstratoren für den praktischen Einsatz zu entwickeln. Daran arbeiten sechs Fraunhofer-Institute und Partner aus der Wissenschaft. 2 Warum ist es wichtig? In der medi- zinischen Bildgebung sind die Möglichkeiten bislang noch begrenzt. Quantenoptische Verfahren können Einblicke in bisher unsichtbare Bereiche erlauben und die Zer- störung von Zellen und Gewebe durch Licht mit geringerer Strah- lungsdosis verhindern. Auch bildgebende Verfahren für Material- oberflächen lassen sich künftig verlässlicher, schneller und kosten- günstiger gestalten. 3 Wann wird es erste Ergebnisse geben? Wir ha- ben bereits erste Demons tratoren etwa für Life-Science- Anwendungen oder für eine Detek tion im schwer zugänglichen Terahertz-Bereich reali- siert. Weitere sollen bis Ende 2021 folgen. Wie bringen Sie Quantenbildgebung in die Praxis? Drei Fragen an Prof. Andreas Tünnermann, Fraunhofer IOF, zum Leitprojekt QUILT durchsetzen, sozusagen der Quantencomputer-as-a-Service, ebenso wie Mischformen aus traditionellem High-Perfor- mance-Computing und Quantencomputing.« Bis es so weit ist, werden Quantentechnologien auch in anderen Bereichen Einzug in unser Leben gehalten haben. © ddp images Die Vorteile: Sie verarbeiten große Datenfelder in einem einzigen Schritt, spüren Muster in den Daten auf, die klas- sische Computer nicht entdecken, und scheitern nicht an unvollständigen oder unsicheren Daten. Das Potenzial dieser Verknüpfung aus Künstlicher Intelligenz und Quantencom- puting könnte sich schon in wenigen Jahren auf nahezu alle Bereiche unserer Gesellschaft auswirken. Neben besseren Logistiklösungen könnten die Netzwerkplanung im Energie- sektor oder Portfolios im Finanzsektor optimiert werden. Da- rüber hinaus ließe sich das Training großer neuronaler Netze deutlich beschleunigen. Im Fraunhofer Cluster of Excellence Cognitive Internet Technologies entwickelt Bauckhage mit seinem Team in einem eigenen QML-Teilprojekt bereits Quantenalgorithmen für Optimierungsprobleme, die grund- legend sind im maschinellen Lernen und in der KI. »Das erklärte Ziel ist, bei der bevorstehenden Quantencomputing- Revolution vorne dabei zu sein - und schnell industrierele- vante Lösungen liefern zu können.« Dieses Ziel verfolgt auch das Fraunhofer FOKUS in Berlin mit dem Projekt PlanQK. Gemeinsam mit 14 Partnern wollen die Forschenden eine Plattform für quantenunterstützte Künstliche Intelligenz entwickeln. Auf dieser Wissensplatt- form sollen sich KI- und Quantencomputing-Spezialisten, Entwickler, Nutzer, Kunden, Dienstleister und Berater über QML-Algorithmen und deren Anwendungen austauschen. Ein sehr konkretes Szenario ist, Betrug im Bankensektor nicht nur zu klassifizieren, sondern auch zu prognostizieren. Mit dem Projekt gewannen die Forschenden im September den Innovationswettbewerb »Künstliche Intelligenz (KI) als Treiber für volkswirtschaftlich relevante Ökosysteme« des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWi). Das anwendungsbezogene Quantencomputing wird nun also sehr konkret. Werden wir alle in einigen Jahren einen Quantenrechner zu Hause oder einen Quantenprozes- sor im Smartphone haben? »Ein Quantenrechner wird immer nur ganz spezifische Problemstellungen lösen können und damit einen klassischen Rechner nicht ersetzen«, erwartet Hauswirth. »Wahrscheinlich ist, dass sich Cloud-Modelle Physiker und Nobelpreisträger Erwin Schrödinger (1887-1961) erlangte nicht nur durch seine bahnbrechende Quantenforschung Berühmtheit, sondern auch durch sein Gedanken- experiment mit Katze.

26 - Fraunhofer. Das Magazin 4.19 Gar nicht mehr so spukhaft Wer die Faszination Quanten heute schon erleben will, bekommt eine Ahnung beim Besuch im Fraun- hofer IOF in Jena. Hier wird daran gearbeitet, wie sich verschränkte Quanten zum einen für eine sicherere Kommunikation und zum anderen für eine genauere Bildgebung nutzen lassen. Text: Mandy Bartel Erik Beckert hält ein glänzend goldenes Gerät mit zahlreichen Schläuchen und Drähten in der Hand. Die Pho- tonenquelle produziert mithilfe eines nichtlinearen Kristalls 300 000 verschränkte Photonenpaare pro Sekunde. Diese »spukhaft« miteinander verbundenen Lichtteilchen bilden die Basis der Quantenforschung am Fraunhofer IOF. Da die Zwillingsphotonen sich immer in ihren Eigenschaften ergän- zen – unabhängig davon, wie weit sie voneinander entfernt sind –, braucht man nur eins zu messen, um den Zustand des anderen zu kennen. Dieser Umstand lässt sich für eine sichere physikalische Verschlüsselung nutzen, mit der man Hackeran- griffen, Datenleaks, Wirtschafts- und Bankenspionage künftig zuverlässig vorbeugen könnte. Der Ingenieur Beckert, der sich die Grundsätze der Quan- tenphysik selbst beigebracht hat, erklärt das Prinzip: »Mit den verschränkten Photonen erzeugen wir auf physikalischer Basis sichere Quantenschlüssel und verteilen sie via Satellit möglichst störungsfrei an die Kommunikationspartner auf der Erde. Versucht jemand, die Kommunikation abzuhören, verfällt die Verschränkung und der Eingriff ist nachweisbar.« Der erste europäische Quantenverschlüsselungssatellit soll ausgestattet mit der Photonenquelle voraussichtlich 2022 ins All starten. An der Entwicklung ist Beckert mit seinem Jenaer Team und weiteren Partnern maßgeblich beteiligt. Interessant ist Quantenverschlüsselung heute schon vor allem für die Finanzbranche, Telekommunikationsanbieter und Regierungsorganisationen. Gemeinsam mit dem Bun- desforschungsministerium und Industriepartnern starteten Fraunhofer, Max-Planck und das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt DLR in diesem Jahr eine Großoffensive für Quantenverschlüsselung. Im Projekt QuNET soll in den nächsten Jahren ein hochsicheres Kommunikationsnetzwerk zwischen mehreren Regierungsstandorten aufgebaut werden und abhörsichere Verbindungen garantieren. Das Vorhaben soll auch den Grundstein legen, um eine gesamtdeutsche Quantenkommunikationsinfrastruktur aufzubauen. Langfristig könnte laut Beckert auch quantenkryptographisch gesichertes Online-Banking Wirklichkeit werden. An bezahlbarer Quantenkommunikation für den Massenmarkt arbeiten heute schon 17 Partner aus ganz Europa im Projekt UNIQORN. Am Fraunhofer-Institut für Nachrichtentechnik, Heinrich-Hertz-Institut, HHI in Berlin entwickeln Forschende da- für miniaturisierte, quantentaugliche Komponenten, die sich zu Hause künftig einfach in den Router einbauen lassen. Ein Ziel ist es, die Kosten für Quantenkommunikation um 90 Prozent zu reduzieren und sie damit Endnutzern zugänglich zu machen. Wie verschränkte Quanten die Bildgebung revolutionieren Beckerts Kollegen am IOF, Dr. Markus Gräfe und Marta Gila- berte Basset, nutzen die Fähigkeiten verschränkter Photonen im noch jungen Forschungsgebiet des Quantenimaging. »Mediziner kämpfen bislang mit dem Problem, dass mensch- liche Zellproben äußerst lichtempfindlich sind. Vor allem UV- Licht schädigt die Zellen. Das schränkt die Untersuchungszeit ein«, sagt Gilaberte Basset. Künftig könnten durch Quanten- bildgebung mit minimaler Strahlungsdosis Gewebezellen viel länger mit hoher Auflösung zerstörungsfrei beobachtet und analysiert werden – sogar bei Zellprozessen, die sich über Minuten oder Stunden erstrecken. 3 Finanzbranche Optimierung von Finanz- portfolios, Risikoanaly- sen, Betrugs- erkennung und -prognose, sichere Kom- munikation und Datentransfer z.B. für Online-Banking

28 - Fraunhofer. Das Magazin 4.19 Neue Chancen für die Medizin durch Quantensensorik Messen lässt sich in der Quantenwelt nicht nur mit Photonen, sondern auch mit Elektronen. Ein Forscherteam am Fraunhofer IAF in Freiburg entwickelt mit den kleinsten Teilchen genaueste Quantensensoren. Text: Mandy Bartel Das Grundprinzip der Quantensensorik klingt simpel: Um Atomkerne fliegen Elektronen, die sich wie ein Kreisel um sich selbst drehen. Diese Drehung heißt Spin – eine quantenme- chanische Eigenschaft. Durch den Elektronen- spin bildet sich ein magnetischer Dipol um das Elektron, der von anderen magnetischen Feldern angezogen oder abgestoßen wird. So entsteht der kleinste Magnet der Welt. Für diese sogenannte Quantenmagnetometrie nutzt das Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF Diamanten. Der dortige Quantenexperte Jan Jeske erklärt das Verfahren: »Wir messen die Zustände von Elektronen eines ganz bestimmten Defekts im Diamantgitter, einem sogenannten Stickstoff-Vakanz (NV)-Zentrum. Dieses NV-Zentrum erlaubt es uns, den Elektro- nenspin optisch zu messen. Ein Magnetfeld ver- schiebt die Energien der Spin-Zustände, was wir durch eine Änderung der Helligkeit messen. Da- durch entsteht der Sensor. Das Material Diamant ist dafür gut geeignet, weil es auch bei Raumtem- peratur sehr stabil ist und lange Kohärenzzeiten ermöglicht. Um NV-Zentren zu erzeugen, geben wir Stickstoff-Atome in den Diamanten und erzeu- gen dann nebenan eine Leerstelle.« Krankheiten besser erkennen Enorme Fortschritte können solche Quanten- sensoren in der Medizintechnik bringen, zum Beispiel für eine schnellere und bessere Krebsdi- agnostik. Das Freiburger Forscherteam will dafür das gängige MRT-Verfahren mit einem soge- nannten Polarisator aus Diamanten verbessern. Dieser wird mit Biomarkermolekülen kombiniert, die den Menschen vor der MRT-Untersuchung injiziert werden. Die Bildgebung wird dank dieses Verfahrens 10 000-fach empfindlicher. Quantensensorik soll auch helfen, eine der häufigsten Todesursachen zu bekämpfen. Bei der Diagnose von Herz-Kreislauf-Erkrankungen können Risiken dank der Messung kleinster Magnetfelder bei Stoffwechselprozessen des Herzgewebes besser erkannt werden. Im Projekt MetaboliQs entwickeln die Forschenden am IAF derzeit einen Diamant-Polarisator, der bei Raumtemperatur eine 160-fach höhere Effizienz, eine 40-fach schnellere und vierfach billigere Polarisation ermöglicht als bislang. Der medizinischen Diagnostik öffnet die Quan- tensensorik neue Türen – sie stößt aber auch neue Tore für Industrie und Produktion auf. Zum Beispiel, um kleinste Materialrisse oder Verfor- mungen über ihre Magnetfeldsignatur zu mes- sen. So lassen sich künftig mikro- und nanoelek- tronische Bauelemente zerstörungsfrei prüfen. Um Magnetometer für solche Anwendungen zu optimieren, rief die Fraunhofer-Gesellschaft 2019 das Leitprojekt QMAG ins Leben, an dem sechs Fraunhofer-Institute und zwei Universitä- ten beteiligt sind. In den nächsten zehn bis zwanzig Jahren werden wir also einige Quantensprünge in den unterschiedlichsten Bereichen erleben. Es wird möglich, Materie in all ihren Facetten zu verste- hen und zu nutzen. Nicht nur Zustände, auch In- teraktionen auf atomarer Ebene lassen sich mit unglaublicher Genauigkeit messen, analysieren und berechnen. Kurz: Wir können mehr messen, deshalb mehr wissen und mit diesem Wissen anders umgehen. Das Abenteuer Zukunft – es hat begonnen.

30 - Fraunhofer. Das Magazin 4.19 Quantentechnologien »Deutschland ist in einer sehr guten Ausgangsposition« Prof. Andreas Tünnermann leitet das Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF in Jena und ist einer der führenden Köpfe im Bereich der Quantentechnologien bei Fraunhofer. Interview: Mandy Bartel Herr Tünnermann, erinnern Sie sich noch, wann und bei welcher Gelegenheit Sie zum ersten Mal der Quantenphysik begegnet sind? Das ist lange her. Bewusst fand meine erste Begegnung mit der Quantenwelt in der 6. oder 7. Klasse statt, als ich eine Hausar- beit zum äußeren photoelektrischen Effekt abzugeben hatte. Der photoelektrische Effekt ist eines der Schlüsselexperimente zur Begründung der Quantenphysik, Einstein wurde 1921 für die Erklärung des Effekts auf der Grundlage der Einführung von Lichtquanten – sogenannten Photonen – sogar mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet. Die Quantenwelt hat mich schon immer fasziniert und die Photonen stehen bis heute im Mittelpunkt meines Forscherlebens – ich bin ein »Laser-Mann«. Was fasziniert Sie persönlich an der Quantenwelt? In den 50er- und 60er-Jahren lernte man, größere Ensemble von Quanten zu kontrollieren und diese für Anwendungen zu nutzen. Man spricht in diesem Zusammenhang weltweit von der ersten Quantenrevolution. So ist der Laser realisiert worden, mit dem die Photonikbranche und damit auch ein neuer Wirtschaftszweig entstand, der unsere Gesellschaft ra- dikal verändert hat: Denken wir nur an das Internet, das ohne Photonik nicht vorstellbar wäre. Aber auch die Grundlagen für die Mikroelektronik wurden in der ersten Quantenrevolu- tion gelegt. Ohne deren Bauelemente würde die Welt heute im wahrsten Sinne des Wortes stillstehen. Heute fragen wir uns: Welchen praktischen Mehrwert hat es, wenn man ein einzelnes Quant kontrollieren kann? Ist damit eine ähnliche volkswirtschaftlich bedeutsame Wertschöpfung möglich? Sie haben in den letzten Jahren einige große Quanten- initiativen für Fraunhofer auf den Weg gebracht. Wie hat die Quantenforschung am Fraunhofer IOF angefangen? Wir forschen an Quantensystemen und deren Anwendung seit der Gründung des Instituts. So arbeiten wir beispielsweise an Lasern und untersuchen die Wechselwirkungen zwischen Licht (Photonen) und Materie. Hierbei kooperieren wir mit weltweit führenden Gruppen, die wir oftmals erst durch unsere Kompo- nenten und Systeme zur Kontrolle von Licht zu originärer For- schung in den Quantentechnologien befähigen. An konkreten Fragestellungen der zweiten Quantenrevolution arbeiten wir seit inzwischen mehr als zehn Jahren und adressieren hier mit Partnern Aspekte der Quantenbildgebung, Quantensensorik, Quantenkommunikation und des Quantencomputing. Und was sind die spannendsten Quantenprojekte derzeit? Die Quantenkommunikation ist für unsere Gesellschaft ein wichtiges Thema, denn Sicherheit und Souveränität von Daten sind ein Grundrecht. Mit dem aktuellen Projekt QuNet wollen wir einen Beitrag zur Datensouveränität in Europa leisten und mit Partnern die Grundlagen für eine sichere Übertragung und Speicherung von Daten entwickeln. Quan- tentechnologien übernehmen dabei sowohl die Schlüsseler- zeugung als auch deren Verteilung zwischen den verschie- denen Partnern eines Kommunikationsnetzes. Ein Beispiel für ein weiteres Projekt in diesem Umfeld der Kommunikation ist das Projekt Space EPS: In Kooperation mit dem Institut für Quantenoptik und Quanteninformation in Wien haben wir im Auftrag der European Space Agency eine Photonenquelle für einen Kommunikationssatelliten entwickelt und optimiert. Der erste Prototyp hatte die Größe eines Tisches von mehreren Quadratmetern mit vielen 100 optomechanischen Einzelkom- ponenten. Den Aufbau haben wir vereinfacht und auf die Größe eines Schuhkartons gebracht. Der nächste Entwick- lungsschritt, der unmittelbar bevorsteht, führt auf die Größe einer Zigarettenschachtel hin. Aber mein persönliches Ziel ist das Format einer Streichholzschachtel. (lacht) 4Material- wissenschaften Simulation völlig neuer Materialien auf moleku- larer Ebene, schnellere Entwicklung, genauere Materialprüf- verfahren

32 - Fraunhofer. Das Magazin 4.19 Forschen für das große Mmmmh! Weniger Fett? Weniger Zucker? Weniger Salz? Das Frauhofer IVV arbeitet am gelungenen Grat zwischen Gesundheit und Genuss – und rührt vor Weihnachten besonders gern in Schokolade. Text: Josef Seitz Das sind die Vorteile für Gesundheit, Umwelt und Klima – in der Theorie. Den entscheidenden Faktor für die Praxis nennt Christian Zacherl: »Es muss lecker sein. Wenn es gesund ist, aber nicht schmeckt, dann hat es keinen Wert.« Ende des Jahres beginnen die großen Konsumententests. Jetzt taucht der Lebensmitteltechnologe am IVV in Freising seinen Löffel in das erste Glas mit Schokocreme. »Schoko- ladenaufstrich – Standard mit Palmöl« verrät die Aufschrift. Es schmeckt nach dem Klassiker: Nutella. Es stehen weitere Gläser bereit für den Versuch. Der »Schokoladenaufstrich mit Rapsöl« wirkt an der Oberfläche noch sehr ölig. Der »Wenn es gesund ist, aber nicht schmeckt, dann hat es keinen Wert.« Christian Zacherl Wenn dieser Papa abends Arbeit mit nach Hause bringt, kann er sich besonders beliebt machen. Für seine drei Kinder verschmelzen dann Fettsäuren, die gesättigten und ungesättigten, Micellenproteine aus Lupine oder anderen Hülsenfrüchten, Raps- und Sonnenblumenöle zu dem, wor- um es dem Vater den ganzen Arbeitstag lang geht: den ganz großen Genuss. Christian Zacherl betritt das Schokoladentechnikum des Fraunhofer-Instituts für Verfahrenstechnik und Verpackung IVV in Freising. Gleich rechts neben der Tür hängen Laborkit- tel, die eindrucksvoll dokumentieren, womit sich der Lebens- mitteltechnologe und Geschäftsfeldmanager für den Bereich Lebensmittel auch heute beschäftigen wird. Das Weiß ist an vielen Stellen schokoladenbraun übertüncht. Inmitten von Trommelröster und Rührwerkskugelmühle, Laborconche und Temperiermaschine, Dreiwalzwerk und Dragierkessel sind die wichtigsten Arbeitsgeräte des Tages vorbereitet: die Löffel. Zusammen mit einigen Kolleginnen wird Christian Zacherl löffelweise probieren, wie nahe das Institut seinem Ziel schon gekommen ist. Zwei europaweite Forschungsprojekte hat das Fraunhofer IVV Anfang des Jahres gestartet. Es geht darum, in Schokoladenfüllungen und dem klassischen Schokoaufstrich fürs Frühstücksbrot den Gehalt an gesättig- ten Fettsäuren um ein Drittel zu verringern. Palmöl, das im Verdacht steht, das Risiko von Herz-Kreislauf-Erkrankungen zu erhöhen, soll durch Öle ersetzt werden, die als gesünder gelten – und nachhaltiger zu produzieren sind. An die Stelle ökologisch fragwürdiger Palmölplantagen könnten verbrau- chernahe Felder treten, heimische Raps- oder Sonnenblumen- öle statt der Fette aus dem Regenwald. Diese sogenannten Oleogele können in der Strukturierung möglichst nahe an die Eigenschaften der ursprünglich verwendeten Fette herange- führt werden – und das Fettsäureprofil optimieren.

34 - Fraunhofer. Das Magazin 4.19 Die Revolution kommt tröpfchenweise Zehn Jahre Forschung, eine Ausgründung – und ein ganz großer Schritt für die Pharmaindustrie. Text: Eva Rathgeber Ein Antibiotikum, das punktgenau passt – ganz ohne das übliche pauschale Durchspülen des Körpers mit einem Breitbandantibiotikum? Eine Tumorbehandlung mit opti- mierter Substratzusammensetzung – weil das Chemothera- peutikum in verschiedenen Konzentrationen auf Zellkulturen des Patienten getestet ist? Die Möglichkeit, lebende Zellen genau und kontrolliert aufzubringen – weil die Technologie ihre Vitalität bewahrt? I-DOT heißt die Antwort auf diese drei Anwendungsfragen. Und auf viel mehr. Mancher spricht von einer Revolution, gerade für die Pharmabranche. Für Andreas Traube bedeuten die vier Buchstaben einen Großteil seines Arbeitslebens. Zehn Jahre Forschung stecken hinter der »Immediate Drop on Demand Technology«, kurz: I-DOT. Den heutigen Abteilungsleiter am Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA beschäftigte die Frage schon als junger Wissenschaftler: Wie lassen sich berührungslos, also ohne Pipette, aus Flüssigkeiten Proben zur Untersuchung biologischer Eigenschaften in sehr geringer Menge entnehmen? Ihn beschäftigte das Problem vor allem bei Mikrotiterplatten, wie sie zur Untersuchung biologischer Eigenschaften eingesetzt werden. »In der Biologie ist jede Be- rührung schlecht, da sie eine Kontamination auslösen kann«, erläutert der Diplomingenieur. Damals wurden am Fraunhofer IPA Studienarbeiten zu dem Thema ausgeschrieben. Dabei setzte sich Tobias Brode, heute Geschäftsfeldleiter Medizin- und Biotechnik am Institut, mit seiner Abschlussarbeit durch und wurde Mitglied des Fraunhofer-Wissenschaftlerteams, das am I-DOT-Verfahren arbeitete. »Es ist schön«, sagt Traube, »die Entwicklung eines Projekts von den ersten Gehversuchen bis hin zum Verkauf zu verfol- gen.« Das Prinzip seiner Entwicklung: Durch das Anlegen eines Druckimpulses auf der Oberseite eines Bohrlochs bildet sich ein Nanoliter-Tröpfchen, das kontaktlos in oder auf ein belie- biges Ziel abgegeben (dispensiert) werden kann. Mit einem achtfach parallelen Dosierkopf können aus jeder Einzeldüse Tropfen von circa einem Nanoliter bis zu 600 Mal pro Sekunde abgegeben werden. Damit lassen sich Durchsätze in einem Volumenbereich zwischen 10 und 1000 Nanolitern realisieren. Der Marktvorteil: »Das Verfahren ermöglicht es, viele ver- schiedene Flüssigkeiten extrem schnell und in äußerst gerin- ger Dosierung zu übertragen«, erläutert Andreas Traube. »Wir können so die Anzahl an Experimenten massiv erhöhen und Kosten sparen.« Übliche Massenversuchsreihen waren bislang abhängig von Pipettier-Robotern, die bei kosteneinsparenden Flüssigkeitsmengen von weniger als einem Mikroliter an ihre Grenzen stoßen. Die üblichen 3600 Pipettierschritte lassen sich mit I-DOT erheblich reduzieren; außerdem verringert sich der Materialeinsatz mit dem Gerät auf ein Fünftel. Im Jahr 2016 hat sich die Dispendix GmbH als Spin-off des Fraunhofer IPA gegründet und wurde Ende 2018 vom schwe- dischen 3D-Bioprinting-Unternehmen Cellink übernommen. Cellink erhofft sich durch die Inklusion der Produktpalette und Technologie von Dispendix einen entscheidenden Vorteil in der Herstellung von Mikrogewebe. Die Kooperation mit Fraunhofer bleibt bestehen. Der Lizenzvertrag über die I-DOT-Patente läuft noch bis 2028 weiter. An der gemeinsamen Entwicklung weite- rer Technologien, besonders in den Bereichen Zellvereinzelung und digitale Tropfenvermessung, wird intensiv gearbeitet. »Wir können die Anzahl an Experimenten massiv erhöhen und Kosten sparen.« Andreas Traube, Fraunhofer IPA

36 - Fraunhofer. Das Magazin 4.19 Ihr Kinderlein — wartet? Eine neue EU-Verordnung soll Medizinprodukte sicherer machen — gefährdet aber gleichzeitig die Versorgung von Kindern und Patienten mit seltenen Erkrankungen. Das Fraunhofer ITEM arbeitet daran, die Folgen zu mildern. Text: Christine Broll Jedes hundertste Baby in Deutschland kommt mit einem Herzfehler auf die Welt. Lebenswichtig für die kleinen Patienten sind kindgerechte künstliche Herzklappen, Stents, Katheter und Herzschrittmacher. Doch diese Hilfsmittel drohen immer mehr zur Mangelware zu werden. Der Grund: Nach der EU-Medizinprodukte-Verordnung (Medical Device Regulation) müssen alle bisher auf dem Markt befindlichen Medizinprodukte spätestens bis Mai 2024 regulatorisch neu bewertet werden – Skalpelle und Endoskope genauso wie Hüftimplantate, Herzschrittmacher oder Herz-Lungen-Ma- schinen. Der Branchenverband BVMed rechnet damit, dass die Hersteller rund 30 Prozent ihrer Produkte nicht über diese Hürde hieven. Darunter sind vor allem Produkte für kleine Patientengruppen, wie zum Beispiel Neugeborene. Viel Sicher- heit für Patienten mit häufigen Erkrankungen — viele Probleme für alle anderen? Um die Auswirkungen zu mildern, hat die EU drei Großpro- jekte gestartet. Das Projekt MDOT (Medical Device Obliga- tions Taskforce) wird vom Fraunhofer-Institut für Toxikologie und Experimentelle Medizin ITEM in Hannover geleitet. Für Projektleiter Dr. Ulrich Froriep ist die EU-Verordnung ein zweischneidiges Schwert: »Habe ich eine häufige Erkrankung, werde ich in Zukunft mit sehr sicheren Medizinprodukten ver- sorgt werden. Leide ich dagegen an einer seltenen Krankheit, kann es sein, dass die entsprechenden Heilmittel in Europa bald nicht mehr zur Verfügung stehen.« Seit Mai 2017 gilt die Verordnung in der gesamten EU – jetzt werden die Folgen immer spürbarer. Auslöser für die Novellierung der Zulassung von Medizinprodukten war der Skandal um minderwertige Brustimplantate, der 2009 aufgedeckt worden war. Das französische Unternehmen Poly Implant Prothèse PIP hatte billiges Industriesilikon verwendet. Die Silikonkissen rissen oft schon nach kurzer Zeit und führ- ten zu Infektionen. Allein in Frankreich waren 30 000 Frauen betroffen. Jetzt müssen sich alle Zertifizierungsstellen neu akkreditieren. Von den bisher 58 waren bis Ende Oktober erst vier nach dem neuen Recht arbeitsfähig: zwei in Deutschland, eine in Italien und eine in Großbritannien. Die Hersteller müssen sich auf lange Wartezeiten einrichten. Außerdem müssen wesentlich mehr Daten und Dokumente vorgelegt werden. Gestiegen sind vor allem die Anforderungen an die tech- nische Dokumentation und an das Qualitätsmanagement des Herstellers. Da auch die Einstufung in Risikoklassen neu geregelt ist, werden für wesentlich mehr Produkte klinische Studien verlangt. »Für die deutsche Medizintechnik-Branche, zu der vor allem kleine und mittelständische Unternehmen gehören, ist das eine riesige Herausforderung«, erläutert Fraunhofer-Forscher Froriep. »Die Firmen überlegen ganz genau, bei welchen Produkten sie sich die Investitionen in klinische Studien über- haupt leisten können.« Das Leistungszentrum Translationale Medizintechnik, in dem das Fraunhofer ITEM unter anderem mit der Medizinischen Hochschule Hannover zusammenarbeitet, ist auf vielen Ebenen aktiv, um die Versorgung der Patienten mit Medizin- produkten sicherzustellen. Für Hersteller werden beschleunig- te Testverfahren entwickelt und angeboten. »Gemeinsam mit Verbänden engagieren wir uns auch auf politischer Ebene, um die Entscheidungsträger für das Thema zu sensibilisieren und Verbesserungen zu erreichen«, erklärt der Leiter des Leistungszentrums Prof. Theodor Doll vom Fraunhofer ITEM. »Auf EU-Ebene arbeiten wir in zwei Projekten, bei denen Open Innovation Test Beds für die Prüfung von Medizin- produkten entwickelt werden.« Mit dem EU-Projekt MDOT will Projektleiter Ulrich Froriep eine Plattform aufbauen, die die Unternehmen bei der Zulas- sung ihrer Produkte unterstützt. Dazu arbeitet das Fraunhofer ITEM seit Januar 2019 mit zwölf Partnern aus sechs Ländern

38 - Fraunhofer. Das Magazin 4.19 Die Ökobilanz des Weihnachtsbaums 45 m 30 m Dortmund Frankfurt 24,0 25,5 27,5 28,0 28,5 29,0 30 › 25 › Anzahl der verkauften Weihnachtsbäume in Millionen 20 › 2000 ’02 ’04 ’06 ’08 ’10 01: Wachstumsphase 10 Jahre 12 Min. Arbeitsaufwand pro Baum Faktor Zeit Faktor Arbeit Zehn Jahre kann es dauern, bis ein Weihnachtsbaum die für den Verkauf gewünschte Größe erreicht hat. Für jeden seiner Bäume investiert der Produzent durchschnittlich etwa zwölf Minuten. Der Arbeits­ aufwand für einen Hektar beträgt jährlich 80 Stunden und besteht größtenteils aus Handarbeit. 04 Faktor: Entsorgung Deutschlandweit sammeln Kommu- nen die Weihnachtsbäume ein. Was dann passiert, unterscheidet sich von Ort zu Ort. In Berlin liefern sie in Biomassekraftwerken Strom und Fernwärme. In Leipzig werden die Weihnachtsbäume kompostiert und später zu Humus, in München werden sie teilweise zu Spanplatten verarbeitet. Wie auch bei Gartenab- fällen ist eine Entsorgung im Wald nicht erlaubt. Die nicht verkauften Restbestände werden oft an Zoos abgegeben. Energetische Verwertung Kompostierung Möbel / Baustoffe Zoo Keine Entsorgung im Wald

40 - Fraunhofer. Das Magazin 4.19 Ein Auto als Puzzle: Vor allem Elektronik­ bauteile könnten die Weltraumfahrt bezahlbarer machen. © Volkswagen AG

42 - Fraunhofer. Das Magazin 4.19 »Die Test- prozeduren zu mehr Effizienz ver schlanken.« Dr. Michael Steffens, Fraunhofer INT Ungeahnte Höhenflüge: Ihre Satelliten und Raumkapseln wil die ESA künftig mit Komponenten aus der Industrie- produktion bestücken. © SpaceX Im nächsten Schritt werden die Komponenten getestet. Sind sie der permanenten kosmischen Strahlenbelastung in der Erdumlaufbahn oder im All gewachsen? Oder sinkt ihre Leistung schnell ab? Kann der Aufprall eines einzelnen hochenergetischen Teilchens einen Defekt auslösen? Solche tückischen Single­Event­Effekte werden beispielsweise durch Sonnenwinde verursacht. Doch damit nicht genug. »Ein wesentliches Ziel ist, die Testprozeduren zu mehr Effizienz zu verschlanken«, erklärt Fraunhofer-Forscher Dr. Michael Steffens, der Mann, der gewissermaßen dafür zuständig ist, die COTS-Bauteile »flugfertig« zu machen. Zwei Probleme der Raumfahrt - auf einem Weg zu lösen? Mit seinem zwölfköpfigen Team plant, konzipiert und reali- siert Steffens die Tests am INT in Euskirchen, in der Nähe von Köln. In der Abteilung NEO (Nukleare Effekte in Elektronik und Optik) arbeiten Forscherinnen und Forscher unter Hochdruck daran, das Projekt voranzubringen. Dazu steht im Labor nicht nur die Kobalt-60-Quelle bereit; auch diverse Laser und eine Reihe von Hightech-Messgeräten warten auf den Einsatz. Den Anstoß für das ehrgeizige Vorhaben gab die Europä- ische Weltraumorganisation (ESA), in deren Auftrag die INT-Wissenschaftler nun aktiv werden. Ansprechpartner für das Fraunhofer-Team ist Gianluca Furano. Er arbeitet seit 17 Jahren als Computer Engineer in der Data Systems Division bei der ESA. Fast genauso lang beschäftigt er sich schon mit dem Thema Standardkomponenten in der Raumfahrt. Die Entscheidung, das Forschungsprojekt in die Hände von Fraun- hofer zu geben, fiel der ESA leicht. Nicht nur das Hightech- Equipment des NEO-Teams, vor allem dessen Expertise haben die ESA-Verantwortlichen offensichtlich überzeugt. Furano sagt: »Wir pflegen schon seit Jahren eine produktive Part- nerschaft mit Fraunhofer. Im Bereich der Strahlentests sind die Kollegen vom INT einfach die besten.« Michael Steffens drückt das nüchterner aus: »Im Bereich der Dosimetrie, also der präzisen Dosierung der Bestrahlung sowie der Messun- gen, sind wir europaweit führend.« Das Projekt soll einen entscheidenden Beitrag leisten, gleich zwei Probleme der Raumfahrt zu lösen. Bislang werden bei Missionen fast nur sogenannte HiRel-Bauteile (High Reliabilty) verwendet, die in kleinen Stückzahlen in eigenen Produktionsstraßen hergestellt werden. Das macht sie teuer. Zudem muss jede Charge für sich auf Strahlenhärte getestet und zertifiziert werden. Die Prüfroutinen dauern manchmal Jahre. Ist eine Komponente endlich bereit für den Start, dann ist sie technisch meistens nicht mehr auf dem neuesten Stand. Einfach ausgedrückt: Die Weltraummissionen sind zu teuer und nutzen veraltete Technik. Das wollen der promovierte Festkörper- und Nuklearphysiker Steffens und sein Team ändern. Furano setzt große Hoff-

44 - Fraunhofer. Das Magazin 4.19 Kleines Tier, ganz groß: Hermetia illucens, die Schwarze Soldatenfliege, wird nur bis zu zwei Zentimeter groß. Als Tierfutter der Zukunft könnte sie dennoch eine gewaltige Rolle spielen - und Regen- wälder und Klima schützen helfen. © ddp-images

46 - Fraunhofer. Das Magazin 4.19 In Europa sind die Hemmschwellen am höchsten. Seit der BSE­Krise war es in der EU streng verboten, tierisches Eiweiß an Nutztiere zu verfüttern. Belastetes Tiermehl galt als Ursache für die Verbreitung des Rinderwahnsinns. Erst 2017 lockerte die EU die Vorschriften und erlaubt seitdem insektenbasierte Futtermittel für Aquakulturen. Allerdings nur, wenn die Larven nicht auf Abfällen gewachsen sind. Andreas Vilcinskas rechnet mit einer Ausweitung dieser Erlaubnis – zuerst bei Geflügel, dann vielleicht bei Schweinen. Darauf hoffen auch andere Unternehmen, die in Europa auf die Schwarze Soldatenfliege setzen. In Deutschland gibt es bislang nur kleine Anbieter. Sie produzieren Larven für Zier­ fische und Reptilien – oder Katzenfutter mit Insektenmehl. In Belgien und den Niederlanden sind bereits größere Unterneh- men am Start und investieren in den Zukunftsmarkt. Und am Ende steht das Nobel-Restaurant Die Vorschrift der EU, dass die Fliegenlarven nicht mit Abfällen gefüttert werden dürfen, erschwert eine ökonomische Nut- zung. Die Larven mit anerkannten Futtermitteln wie Getreide aufzuziehen, macht in der Ökobilanz keinen Sinn. Andreas Vilcinskas setzt daher auf organische Nebenströme aus der Lebensmittelindustrie, wie zum Beispiel die Reste der Apfel- saftherstellung. Um zu zeigen, wie damit auch in Deutschland eine gute Wertschöpfung erreicht werden kann, baut er ein geschlossenes System auf, in dem die Fliegenlarven an die hochpreisigen schwarzen Tigergarnelen verfüttert werden – aus Black Soldier Fly wird Black Tiger Prawn. Das Projekt läuft im Rahmen der Initiative »Bioökonomie im Ballungsraum« und wird vom Bundesforschungsministerium gefördert. Insekten - der lange Marsch auf den Tisch In Europa sind die Hemmschwellen für Insekten als Nahrungsmittel seit der BSE-Krise am höchsten. Doch das beginnt sich zu ändern. Seit 2018 dürfen auch EU-Bürger mit dem offiziellen Segen aus Brüssel Insekten essen. Immer mehr überwinden ihre Scheu vor den Krabbeltieren und wagen den Biss in eine knusprige Heuschrecke. Denn Insekten sind gesund und haben eine gute Ökobilanz. Grashüpfer oder Buffalo-Würmer sind bereits heute schon gefriergetrocknet zu kaufen, Kochbücher erklären, wie sich geröstete Mehlwürmer auf Kräuterbett oder Grillen mit Honig und Sesam zubereiten lassen. Einige Super- märkte haben bereits Insekten-Proteinriegel und tiefge- kühlte Insektenburger im Angebot. Fachmann Andreas Vilcinskas ist sich sicher, dass insektenbasierte Produkte in zehn Jahren zum üblichen Sortiment gehören werden. »Von Insekten lernen, heißt siegen lernen.« Prof. Andreas Vilcinskas hat die Insektenbiotechno- logie maßgeblich geprägt. © Fraunhofer / Piotr Banczerowski Die Chancen dafür stehen gut. Die Larven der Soldatenfliege sind Überlebenskünstler mit einem beeindruckenden Immun­ system, von Natur aus perfekt angepasst an ein Aufwachsen in faulenden Abfällen und in Mist – und dort wimmelt es von pathogenen Keimen. Wie sich die Fliegen dagegen schützen, hat Vilcinskas zusammen mit der Universität Dresden und dem Max­Planck­Institut für chemische Ökologie untersucht. Die Erklärung für die Widerstandsfähigkeit der Larven: Das For­ schungsteam konnte in den Tieren über 50 verschiedene an­ timikrobielle Peptide nachweisen. Besonders verblüffend war, dass sich das Spektrum der produzierten Peptide in Abhängig­ keit von der Ernährung veränderte. »Durch die Optimierung der für die Zucht verwendeten Nahrung können wir errei­ chen, dass die Larven antimikrobielle Peptide gegen wichtige Pathogene wie Salmonellen oder Listerien produzieren«, meint Vilcinskas. »Diese Peptide sind dann auch in dem Insektenmehl enthalten und schützen es vor einem Bakterienbefall.« Von der Larve zum Huhn. Vom Huhn zum Menschen. In Indonesien und den benachbarten Ländern hat das Insek­ tenprotein als Tierfutter beste Marktchancen und wird ohne Vorbehalte verfüttert. Insekten sind dort traditionell auch bei Menschen beliebte Delikatessen – als gegrillte Grashüpfer oder frittierte Seidenraupen. Auch in Afrika steht man Insekten als Tierfutter aufgeschlos­ sen gegenüber. Daher ist die Produktion von Soldatenflie­ gen bestens geeignet, die Versorgung der Bevölkerung mit Proteinen zu verbessern. So wie zum Beispiel in Kenia. Das Start­up­Unternehmen Sanergy stellt für ein Pilotprojekt in den Slums von Nairobi mobile Toiletten auf und leert sie regelmäßig. Die in großen Fässern gesammelten menschli­ chen Exkremente werden zu einer Insektenfarm gebracht, mit Abfällen aus Restaurants vermischt und an Schwarze Soldatenfliegen verfüttert. Aus den Larven wird Hühnerfutter, die Hühner legen Eier, die Menschen essen die Eier – eine perfekte Kreislaufwirtschaft. »Die Larven produzieren antimikro- bielle Peptide« Prof. Andreas Vilcinskas

48 - Fraunhofer. Das Magazin 4.19 + © ddp-images Ein Gesicht für zwei Weltweit haben sich automatische Passkontrollen durchgesetzt. Die Gesichtserkennung ist anfällig - und das ist gefährlich in Zeiten von Terror, internationaler Kriminalität und Flüchtlingsströmen. Die Fraunhofer-Institute HHI und IPK arbeiten für mehr Sicherheit. Text: Britta Widmann Ein Pass, den zwei Menschen benutzen können? In einem Berliner Bürgeramt ist das Realität geworden. Express­ Reisepass beantragt. Mit dem Personalausweis identifiziert. 37,50 Euro Verwaltungsgebühr bezahlt. Foto über den Tisch geschoben. Neun Tage später den neuen Pass, frisch aus der Bundesdruckerei, abgeholt. Und schon hatte sich eine Polit-Aktivistin mit dem Künstlernamen Billie Hoffmann ein amtliches Reisedokument beschafft – das bei der Gesichtser- kennung in automatischen Passkontrollen auch für Federica Mogherini funktioniert hätte. Die heute 46-Jährige war Außenministerin Italiens und ist seit 2014 Hohe Vertreterin der EU für Außen- und Sicherheitspolitik. Ausgerechnet. Der Schlüssel: Das Passbild war gemorpht. Der Computer hatte aus zwei biometrischen Fotos eines gemacht – und damit einen Reisepass für zwei ermöglicht. Praktisch - aber gefährlich! Automatisierte Passkontrollen mit Kameras und Scannern sind praktisch, sie verkürzen die Wartezeiten. Doch ist diese »Kriminelle sind in der Lage, die Gesichts- erkennung auszu- tricksen!« Lukasz Wandzik, Fraunhofer IPK Art der Authentifizierung anfällig gegenüber Morphing-An- griffen. »Kriminelle sind in der Lage, die Gesichtserkennungs- systeme so auszutricksen, dass zwei Personen denselben Pass verwenden können«, bestätigt Lukasz Wandzik, Wissen- schaftler am Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik IPK in Berlin. Gemeinsam mit Kollegin- nen und Kollegen vom Fraunhofer-Institut für Nachrichten- technik, Heinrich-Hertz-Institut, HHI und weiteren Partnern entwickelt er Verfahren, die Bildanomalien erkennen – wie sie typisch sind für gemorphte Bilder. Das Projekt heißt ANANAS: »Anomalie-Erkennung zur Verhinderung von Angriffen auf gesichtsbildbasierte Authen- tifikationssysteme«. Wir haben den Sicherheitsmechanismus fürs Fraunhofer-Magazin getestet mit Fotos der Autorin und dreier Kolleginnen. »Trotz nicht biometrischer Ausgangsbilder hat unser Detektor alle drei Morphs erkannt«, stellt Prof. Peter Eisert fest. Und der Abteilungsleiter Vision & Imaging Techno- logies am Fraunhofer HHI fügt hinzu: »Wäre die Passkontrolle mit dem ANANAS-Detektor ausgestattet gewesen, hätte die

50 - Fraunhofer. Das Magazin 4.19 Letzte Hoffnung Gentherapie Wie weiße Blutkörperchen für den Kampf gegen Krebszellen gerüstet werden Text: Christine Broll Bevor Melanie Müller den mit flüssigem Stickstoff ge- kühlten Spezialbehälter öffnet, setzt sie sich die Schutzbrille auf und streift die Spezialhandschuhe über. Vorsichtig holt sie eine Metallkassette mit dem Blutbeutel eines Patienten heraus. Er enthält viele T-Zellen, eine spezielle Art von weißen Blutkörperchen. Wem die Probe gehört, weiß sie nicht. Aber sie weiß sehr genau, welches Schicksal sich hinter der Num- mer verbirgt, unter der dieser Beutel registriert ist. Denn die Patienten, mit deren Blut sie hier arbeitet, leiden an schweren Formen von Lymphknotenkrebs oder Leukämie. Viele davon sind Kinder. Sie gelten als austherapiert; mit Stan- dardtherapien kann ihnen nicht mehr geholfen werden. Ihre letzte Hoffnung ist die Behandlung mit dem Gentherapeu- tikum Kymriah®. Im Auftrag des Schweizer Pharmakonzerns Novartis wird es im Fraunhofer-Institut für Zelltherapie und Immunologie IZI hergestellt – individuell für jeden einzelnen Patienten. Kymriah® war die erste zugelassene Gentherapie gegen Krebs. Seit August 2017 ist sie in den USA auf dem Markt, seit August 2018 auch in der EU. Einzige Produktionsstätte für das von der Europäischen Kommission zugelassene Pro- dukt in Europa ist bislang das Fraunhofer IZI in Leipzig. Dort wurde gemeinsam mit Novartis der komplexe Produktions- prozess etabliert – zuerst für klinische Studien, jetzt für die Versorgung der Patienten. Gleichzeitig arbeitet das IZI inten- siv daran, Gentherapien günstiger und effizienter zu machen. Heute kostet die Behandlung mit Kymriah® in Deutschland 275 000 Euro pro Patient. Umprogrammierung im Reinraum Die angelieferten Blutbeutel werden im hochsterilen Rein- raum der Gentechniksicherheitsstufe S2 aufgetaut. Hier tragen Melanie Müller und die anderen Mitarbeitenden Ganzkörper-Overalls mit Kapuze, Überschuhe, zwei Paar Handschuhe, Mundschutz und Schutzbrille, damit die Blut- zellen der Patienten auf keinen Fall verunreinigt werden. Im Reinraum findet die genetische Transformation der T-Zellen der Patienten statt. Sie werden für den Kampf gegen Krebs- zellen gerüstet. Damit die T-Zellen die Krebszellen erkennen können, werden sie umprogrammiert. Ein nicht vermehrungsfähiger Virus bringt ein Gen in die T-Zellen, das auf ihrer Oberfläche einen speziellen Rezeptor bildet – den chimären Antigen-Re- zeptor, kurz CAR. Daher heißen die umprogrammierten Zellen CAR-T-Zellen. Mithilfe des Rezeptors können sie jetzt Krebs- zellen als Feind identifizieren und erledigen, was natürliche T- Zellen sonst auch mit feindlichen Bakterien und Viren tun: Sie setzen einen Immunprozess in Gang, der den Feind abtötet. Das Leipziger Labor vermehrt die CAR-T-Zellen nach der Transformation und prüft sie umfassend. Nach etwa 22 Tagen werden sie tiefgefroren zum Patienten geschickt, um ein Leben zu retten. Patienten, die zurzeit in Europa mit Kymriah® behandelt werden, haben einen langen Leidensweg hinter sich. Die Behandlung ist nur zugelassen, wenn vorher mindestens zwei Standardtherapien fehlgeschlagen sind. Behandelt werden Kinder und junge Erwachsene bis zu 25 Jahren mit akuter lymphoblastischer Leukämie (pALL) sowie erwachsene Patienten mit einer Form von Lymphdrüsenkrebs, dem diffus großzelligen B-Zell-Lymphom. Die betroffenen Menschen haben in der Regel nur noch eine Lebenserwartung von wenigen Wochen oder Monaten. Die CAR-T-Zellen werden den Patienten im Regelfall nur ein einziges Mal per Infusion verabreicht. Durch die Zerstö- rung der Krebszellen lösen sie eine heftige Immunreaktion aus. Wenn dabei zu viele immunologische Botenstoffe wie Zytokine freigesetzt werden, kann es zu einem Zytokinsturm kommen – mit hohem Fieber und grippeähnlichen Sympto- men. Außerdem sind neurologische Störungen möglich. Kymriah® ist seit 2018 in der EU zugelassen. In Deutschland kostet die Therapie 275 000 Euro — pro Patient.

52 - Fraunhofer. Das Magazin 4.19 Die spezialisierten Zentren, die mit Kymriah® arbeiten, sind intensivmedizinisch darauf vorbereitet und setzen zur Be­ kämpfung der Nebenwirkungen verschiedene Therapien ein. Da sich die CAR­T­Zellen im Blutkreislauf des Patienten weiter vermehren, können Tumorzellen durch die Behandlung auch langfristig zurückgedrängt werden. Das zeigen die Ergebnisse der klinischen Studien. Bei der ELIANA­Studie wurden 79 Patienten mit akuter lymphoblastischer Leukämie behandelt. 82 Prozent von ihnen sprachen auf die Behandlung an, nach zwei Jahren lebten noch 66 Prozent der im Rahmen der Studie behandelten Patienten. Therapien auch für Brust- und Lungenkrebs Bislang ist die CAR­T­Zelltherapie nur für Patienten mit B­ Zell­basierten Krebserkrankungen verfügbar. Denn das für Kymriah® verwendete CAR­Konstrukt erkennt ganz spezifisch ein Zielmolekül, das nur auf entarteten B-Zellen vorkommt. Doch arbeiten Unternehmen und Forschungseinrichtungen weltweit an der Entwicklung von CAR-T-Zelltherapien für die Behandlung solider Tumore und weiterer Krebsarten. Am Fraunhofer IZI verfolgt die Hauptabteilung von Dr. Gerno Schmiedeknecht und Kati Kebbel dabei einen vielverspre- chenden Ansatz – gemeinsam mit der Universitätsklinik Würzburg und dem Max-Delbrück-Centrum für Molekulare Medizin in Berlin. Gefördert wird das Projekt im Rahmen der Proof-of-Concept-Initiative, mit der die Deutsche Hochschul- medizin, die Helmholtz-Gemeinschaft und die Fraunhofer- Gesellschaft ihre Zusammenarbeit intensivieren. »Unsere Würzburger Partner haben ein CAR-Konstrukt entwickelt, das ein spezielles Zielmolekül erkennt, das auch auf bestimmten soliden Tumoren vorkommt«, erläutert Gerno Schmiede- knecht. »Das Zielmolekül heißt ROR1 und kommt unter an- derem auf Lungen- und Brustkrebszellen vor. Wir entwickeln derzeit ein Verfahren, um CAR-T-Zellen zu produzieren, die diese Krebszellen zerstören.« Mit der Verfahrensentwicklung will das Forschungsteam die Herstellung individueller CAR-T-Zellen günstiger und effizi- enter machen. Bislang wird das Gen für das CAR-Konstrukt mithilfe eines nicht vermehrungsfähigen Virus in die T-Zellen eingeschleust. Doch diese spezialisierten Viren sind extrem teuer und schwer zu beschaffen. In dem Projekt nutzt man für den Gentransfer daher eine Alternative: ein Transposon, ein springendes Gen, das sich an verschiedenen Stellen des Erbguts einbauen kann. »Das virus-freie Transferverfahren ist kostengünstiger und sehr effizient«, verdeutlicht Schmiede- knecht. Zum Ende des Projekts sind für 2021 erste klinische Tests mit den CAR-T-Zellen gegen verschiedene Tumore an der Universitätsklinik Würzburg geplant. CAR-T-Zelltherapien retten Todkranken das Leben; das Ge- sundheitssystem stellen sie vor eine große Herausforderung. Bisher wurden in Deutschland rund 50 Patienten mit Kymriah® behandelt. Mitte September 2019 hat Novartis mit dem Spitzenverband der gesetzlichen Kranken- und Pflegekassen GKV-SV einen Vertrag zur Übernahme der Behandlungskosten geschlossen. Wer soll das bezahlen? Doch wie wird die Situation, wenn CAR-T-Zelltherapien auch für die häufigsten Tumorindikationen Brust- und Lungen- krebs zugelassen sind? Dann werden die Patientenzahlen in die Höhe schnellen. Können die Krankenkassen dann noch die Kosten von mehreren hunderttausend Euro pro Patient tragen? Oder wird die Therapie denen vorbehalten sein, die sie sich leisten können? Gerno Schmiedeknecht beurteilt die Entwicklung nicht so pessimistisch. »Als die ersten Therapien mit monoklonalen Antikörpern auf den Markt kamen, waren sie aufgrund von wenig effektiven Herstellungsprozessen auch extrem teuer«, berichtet der Leiter der Hauptabteilung. »Heute sind die Preise durch moderne Herstellungsverfahren und durch die Zulassung erster Biosimilars deutlich gefallen. Für die Her- stellung der CAR-T-Zellen ist zurzeit noch viel Handarbeit im Labor erforderlich. Um Zeit und Kosten zu sparen, wollen wir perspektivisch die Produktion automatisieren.« Unterstützung könnte dabei von Expertinnen und Experten aus anderen Fraunhofer-Instituten kommen. Denn Prozessautomatisierung ist eine der Stärken von Fraunhofer. »Um Zeit und Kosten zu sparen, wollen wir perspekti visch die Produktion automati- sieren.« Gerno Schmiedeknecht, Fraunhofer IZI

54 - Fraunhofer. Das Magazin 4.19 Schöner reisen mit Blockchain Mit der U-Bahn zum Münchner Hauptbahnhof, per ICE nach Köln und an- schließend mit dem Taxi zur Silvesterparty? Die günstigste Route von A nach B, von C nach D ist per App schnell gefunden. Wie schön wäre es jetzt, auf »buchen« klicken zu können und ein Ticket für die komplette Reise in der Tasche zu haben. Wäre es. Noch gilt: Kann man aber nicht. Text: Sonja Endres Prof. Gilbert Fridgen und seine Kollegen vom Fraunhofer­ Institut für Angewandte Informationstechnik FIT wollen das Reisen in Deutschland einfacher machen. Sie planen ein offe­ nes, dezentrales Mobilitätssystem, kurz OMOS. Die Idee: Alle Mobilitätsdienstleister stellen ihre Daten auf einer zentralen Plattform zur Verfügung. Ein Algorithmus ermittelt daraus die günstigsten Verbindungen, die der Kunde mit einem Klick auswählen, buchen und bezahlen kann. »Ich vergleiche die Blockchain gerne mit einem Notizbuch, das alle einsehen können und auf das alle Zugriff haben. Die Deutsche Bahn sieht in diesem Notizbuch nicht nur ihre eige- nen Verbindungen, sondern auch, welche Verbindungen die anderen zu welchem Preis anbieten. Sie kann so ein Kombi- Angebot erstellen, zum Beispiel mit dem Taxi zum Berliner Hauptbahnhof, von dort mit dem ICE nach Bayreuth und mit dem Carsharing-Auto weiter bis nach Kulmbach.« Mit der Abrechnung hat der Kunde nichts am Hut. »Bisher ist eine solche Plattform daran gescheitert, dass die Deutsche Bahn, die Lufthansa, die öffentlichen Verkehrs­ betriebe oder Carsharing­Anbieter ihre Kundenbeziehung ver­ ständlicherweise nicht an einen Plattformbetreiber abtreten und sich von ihm abhängig machen wollten«, erklärt Fridgen. Die Blockchain­Technologie bietet einen Ausweg aus dem Dilemma: Indem sie das Einrichten einer neutralen Plattform ermöglicht, macht sie einen Betreiber überflüssig. Der Zugriff auf die Plattform soll über bereits bestehende Apps wie den DB Navigator oder Share Now erfolgen. Je nach App könnten bei der Auswahl unter gleichwertigen Verbindungen bestimmte bevorzugt werden – beim DB Navigator würden an erster Stelle Verbindungen mit Bahn und öffentlichem Nahverkehr angezeigt, bei Share Now Carsharing-Angebote. Wenn der Kunde diese Verbindung bucht, wird das in dem Notizbuch vermerkt – und zwar so, dass es im Nachhinein nicht mehr gelöscht oder verändert werden kann. Ebenso, welcher Anbieter welche Leistung zu welchem Preis erbringt. Kinderleicht und komfortabel »Die Abrechnung regeln das Taxiunternehmen, die Deutsche Bahn und das Carsharing-Unternehmen untereinander, der Kunde hat damit nichts am Hut. Weil die Buchung über den DB Navigator erfolgte, erhält die Deutsche Bahn das Geld und verteilt es. Dabei könnte man sich darauf einigen, dass sie vom Ticketpreis fünf Prozent Provision einbehält – ähnlich einer Vertriebspauschale im Reisebüro«, überlegt Fridgen.

56 - Fraunhofer. Das Magazin 4.19 »Schrecklichkeiten verhindern« Auf dem Weihnachtsmarkt ein Glühwein? Am Brandenburger Tor Silvester feiern? Mit dem Zug durch Deutschland reisen? Was wir auch tun, wir wollen dabei vor Anschlägen und Gewaltkriminalität geschützt sein. Technologie kann Sicherheit erheblich steigern. Text: Janine van Ackeren Gedenken an die Opfer des Anschlags auf den Berliner Breitscheidplatz im Jahr 2016. © imago images

58 - Fraunhofer. Das Magazin 4.19 »Wir wollen mit unserer Technik Schrecklich- keiten ver- hindern - oder zumindest die Eskalation des Schreckens.« Dr. Markus Müller, Fraunhofer IOSB TRAIn Network«, entwickelt haben. »Unser Assistenzsystem ermöglicht es, radiologische Quellen im Menschenstrom zu erkennen und das Sicherheitspersonal zu alarmieren«, sagt Dr. Felix Govaers, stellvertretender Leiter der Abteilung »Sensordatenfusion« am Fraunhofer FKIE. Das System besteht aus mehreren Komponenten. Gammaspektrometer, die in Böden oder Mauern des Bahnhofsgebäudes verbaut werden können, erfassen die radioaktive Strahlung und können sogar bestimmen, um welche Isotope es sich handelt. Da ein einzi­ ger Sensor nur analysieren kann, ob Strahlung vorhanden ist, setzen die Forscher ein Netz von Sensoren sowie handelsüb­ liche Kinect­Kameras ein. Diese Kinect­Kameras liefern neben Bildern auch Entfernungsinformationen. Über eine Software zur Datenfusion koppeln sie die Daten miteinander und können die Strahlungsquelle auf diese Weise lokalisieren und einer bestimmten Person zuordnen. An neuralgischen Punkten angebracht – also in Eingangsbe­ reichen, Auf­ und Abgängen von Bahnhöfen, Flughäfen oder anderen öffentlichen Gebäuden –, könnten solche Assistenz­ systeme künftig Informationen über radiologische Gefährder an die Überwachungssysteme etwa der Verkehrsbetriebe übertragen. Elementar dabei: Ob ein Zugriff erfolgt, entschei­ det weiterhin der Mensch. Die Forscher des Fraunhofer FKIE sind derzeit im Gespräch mit der Düsseldorfer Firma innoRIID, die das System vermarkten möchte. Abwehr von Gefahren aus der Luft Eine Drohne nähert sich einer Großveranstaltung – sagen wir der Silvesterfeier am Brandenburger Tor in Berlin. Ist sie ein harmloses Flugobjekt? Oder ist sie eine von Terroristen gesteuerte Waffe, die Sprengstoff oder – viel wahrscheinli­ cher – Brandbeschleuniger in die Menschenmenge trägt? Es sind dringend verlässliche Detektions­ und Abwehrsysteme für Drohnen gefragt. Ein solches haben zwölf Partner aus Industrie, Forschung und Lehre im BMBF­geförderten Projekt »Abwehr von unbemannten Flugobjekten für Behörden und Organisationen mit Sicherheitsaufgaben« – kurz AMBOS – entwickelt. Die Koordination lag beim Fraunhofer FKIE. Ein Radargerät, mehrere Kameras, ein Funkaufklärungssensor, der das Funksignal der Fernbedienung analysiert, und akus­ tische Sensoren, die die Geräusche anfliegender Drohnen erkennen, überwachen das Gelände. Jeder Sensor hat seine Vorteile: Der Radar kann beispielsweise einige Kilometer weit schauen, jedoch brauchen die Kameras und das Radar eine »Line of Sight«, also Sichtkontakt. Funkaufklärung und akusti­ sche Sensoren dagegen brauchen dies nicht, allerdings haben akustische Sensoren lediglich eine Reichweite von einigen hundert Metern. »Der Segen liegt in der Multimodalität«, sagt Hans Peter Stuch, Forschungsgruppenleiter und Verbundko­ ordinator AMBOS am Fraunhofer FKIE. »Insbesondere in der Sensordatenfusion: Sie koppelt nicht nur die Daten der unter­ schiedlichen Sensoren miteinander, sondern überprüft auch gleich die Qualität der Daten jedes einzelnen Sensors.« Den Einsatzkräften, die beispielsweise am Silvester- abend in Berlin für Sicherheit sorgen sollen, erleichtert das System, die Situation einzuschätzen und entsprechend zu reagieren. Nähert sich eine Drohne dem Festgelände, sehen sie deren aktuelle Position auf einer digitalen Karte; zudem werden die Flughöhe, die Fluggeschwindigkeit und die Flug­ richtung angezeigt. Doch stellt das Flugobjekt tatsächlich eine Gefahr dar? Auch bei dieser Frage unterstützt das System: An­ hand der Daten schätzt es die Gefahrenlage ein und schlägt mögliche Gegenmaßnahmen vor. Entscheidet sich der Einsatz­ leiter daraufhin für eine Aktion, kann er sie ganz einfach per Knopfdruck starten. Die erste Option liegt darin, ein Störsignal auszusenden: Die Drohne kann das Signal ihrer Fernbedie­ nung in dem Wirrwarr nicht mehr hören. Abgesehen von autonom fliegenden Drohnen bleibt die betroffene Drohne entsprechend ihrer Konfiguration daraufhin stehen, landet oder fliegt zum Startpunkt zurück. Eine zweite mögliche Ab- wehrmaßnahme ist ein elektromagnetischer Hochenergiepuls. Dieser bringt den Flug-Controller der Drohne durcheinander, der unter anderem die Rotoren ansteuert – die Drohne fällt wie ein Stein zu Boden. Als dritte Option steht ein Netzwerfer bereit, der die Drohne mechanisch zum Absturz bringt. Ende Juni 2019 haben die Forscher das Projekt erfolgreich abgeschlossen – mit einer Evaluierung in Mosbach. Dort flogen Drohnen in verschiedenen Flugszenarien auf die zu schützende Liegenschaft zu. Das System erkannte die Gefah- renlage und leitete, auf Knopfdruck des Personals, erfolgreich entsprechende Gegenmaßnahmen ein. »Bezüglich dieses Kernsystems, das aus Sensordatenfusion, Lagedarstellung und Entscheidungsunterstützung besteht und an welches beliebige Sensoren und Abwehrmaßnahmen gekoppelt wer- den können, sind wir unter anderem im Gespräch mit einigen Polizeibehörden und der deutschen Flugsicherung«, erläutert Stuch. Vielleicht lässt sich künftig die Zahl der Horrormeldun- gen durch solche Technologien reduzieren. Soziale Netzwerke für mehr Sicherheit Hilfreich bei der Vermeidung von Attentaten sind auch Me- dien, die die Extremisten vorab nutzen und über die sie sich absprechen oder ihre Vorhaben ankündigen. Um Verdächtige weiter einzukreisen und ihre Tweets und Äußerungen in sozialen Netzwerken schnell auf Schlagworte durchsuchen zu können, können Sicherheitskräfte künftig auf eine Techno- logie aus dem Fraunhofer FKIE setzen. Sie kombiniert eine Telefonüberwachung mit einer Suchmaschine für soziale Netzwerke. Ist eine Person verdächtig und hat ein Richter eine Telefonüberwachung genehmigt, lassen sich zunächst die Telefonate analysieren. Dies erfolgt in drei Stufen. In der

60 - Fraunhofer. Das Magazin 4.19 Vom Winde verweht 30 000 Windenergieräder drehen sich in Deutschland. Viele von ihnen kommen langsam in die Jahre. Dieses Jahr mussten 2000 Rotorblätter entsorgt werden, 2024 werden es schon 15 000 sein. Doch wohin mit den bis zu 90 Meter langen und rund 15 Tonnen schweren Ungetümen? Text: Sonja Endres Wenn wir die Klimaziele erreichen wollen, müssen wir in den nächsten 30 Jahren in Deutschland die Zahl der Windenergieanlagen verzehnfachen, sind Fachleute über­ zeugt. Es müssen jedoch nicht nur neue Windkraftanlagen installiert, sondern auch zahlreiche alte entsorgt werden – wegen Materialermüdung oder einfach, weil sie noch größeren und effizienteren Anlagen weichen. Eine Studie des Fraunhofer-Instituts für Chemische Techno- logie ICT prognostiziert: Zu den 15 000 Rotorblättern, die 2024 aussortiert werden müssen, kommen in den folgenden drei Jahren 72 000 hinzu. Für den in den Windkraftanlagen verbauten Stahl oder Beton gibt es bereits umweltverträgli- che Entsorgungsverfahren, schwierig bleibt das Recycling der Rotorblätter. Fest verklebt und kaum zu trennen Rotorblätter bestehen nicht aus Stahl. »Das wäre zu schwer und unbeweglich. Sie sind größtenteils aus mit Glasfasern verstärktem Kunststoff (GfK) und Balsaholz, das mit Ep- oxid- oder Polyesterharz verklebt ist«, sagt Projektleiter Peter Meinlschmidt vom Fraunhofer-Institut für Holzforschung, Wilhelm-Klauditz-Institut WKI in Braunschweig. Die Kle- beverbindung ist extrem fest. Das muss sie auch sein – die Rotorblätter erreichen Spitzengeschwindigkeiten von über 250 Kilometern pro Stunde, die Krafteinwirkung ist enorm.

62 - Fraunhofer. Das Magazin 4.19 Fraunhofer weltweit Diamant-Elektroden bauen resistente Umweltgifte ab Langlebigkeit kann zum Fluch werden: Polyfluo- rierte organische Verbindungen, die eingesetzt werden, um Oberflächen wasser-, schmutz- und fettabwei- send zu machen, können durch natürliche Prozesse nicht aus- reichend abgebaut werden und häufen sich dadurch in der Umwelt an. Gelangen sie mit dem Abwasser einmal in die Nahrungskette, so werden sie von Pflanzen und Tieren auf- genommen und angereichert. Weltweit wurden in mensch- lichen Gewebeproben Spuren der Chemikalien gefunden. Die PFAS – die englische Abkürzung für per- and polyfluoroalkyl substances – stehen im Verdacht, das Immunsystem zu schwächen, die Fruchtbarkeit zu beeinträchtigen und Krebs zu verursachen. »Bisher gab es keine guten Möglichkeiten, diese Verbindun- gen dauerhaft aus dem Stoffkreislauf zu eliminieren. Die Che- mikalien widerstehen weitestgehend Bakterien und Sonnen- licht. Man kann sie zwar mit Aktivkohle, Ionenaustauschern oder Umkehrosmose aus wässrigen Lösungen herausfiltern, aber die PFAS sind immer noch vorhanden und können nicht abgebaut werden«, erklärt Michael Becker vom Fraunhofer USA Center for Coatings and Diamond Technologies an der Michigan State University. Die PFAS-Belastung ist im US- Bundestaat Michigan ein brisantes Thema: In Flüssen und Grundwasser, aber auch in Menschen und deren Nahrungs- kette fanden die Behörden erhöhte Konzentrationen. Zusammen mit seinem Team entwickelt er ein Verfahren, mit dem sich PFAS in ihre Bestandteile aufspalten lassen. Für die »elektrochemische Oxidation« verwenden die Forscher Elekt- roden aus Diamant. Diese werden durch den Einbau von Bor- Atomen elektrisch leitfähig. Die polyfluorierten organischen Moleküle werden an der Anode direkt oder mithilfe von hochreaktiven Hydroxyl-Radikalen oxidativ abgebaut. Dieser Prozess mineralisiert die resistenten Moleküle vollständig in Wasser, Kohlendioxid und unschädliche Fluoride. Im Labor hat sich die Technik bereits bewährt. Die Fraun- hofer-Forscher optimieren den Prozess jetzt für den Einsatz in der Praxis. Die Stadt Grand Rapids im US-Bundesstaat Michigan hat gerade 300 000 US-Dollar für die Technologie- Entwicklung bewilligt. Wertstoffe und Trinkwasser aus heißen Quellen Wasser ist im Norden Chiles ein knappes Gut. Dabei befinden sich unter der tro- ckenen Oberfläche hydrothermale Quellen – diese eignen sich jedoch nicht, um den Durst zu löschen: Sie sind heiß und salzig, denn sie enthalten viel Magnesium, Lithium und Kalium, daneben auch Gold und Bor. »Die Sole ist eine wertvolle Res- source. Man kann sie nutzen, um Energie, Trinkwasser und Mineral- stoffe zu gewinnen«, erklärt Dr. Joachim Koschikowski, Forscher am Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme und Koordinator des deutsch-chilenischen Projekts BrineMine – deutsch: Sole-Bergbau. Ein deutsch-chilenisches Team aus Unternehmen und Forschungs- einrichtungen, darunter auch das Fraunhofer CSET Chile, entwickelt jetzt ein Verfahren, mit dem sich die Sole in ihre Bestandteile zerle- gen lässt. Die dafür nötige Energie lässt sich aus den hydrothermalen Quellen gewinnen. Im ersten Verfahrensschritt wird das mineralstoffreiche Wasser durch eine Membran gepresst, die nur für H2O durchlässig ist. Auf diese Weise entsteht reines Wasser. Übrig bleibt eine mineralstoffreiche Rest- Lösung, die sich im zweiten Schritt noch weiter auftrennen lässt: Durch Erhitzen verdampft das restliche Wasser, passiert eine Membran und kondensiert auf der anderen Seite an einer kalten Oberfläche. Das Kondensat hat Trinkwasser- qualität. Der feste Rückstand aus Mineralstoffen kann nun chemisch aufgetrennt und genutzt werden. »In dem vom BMBF geförderten Projekt wollen wir zeigen, dass die Technik nicht nur funktioniert, son- dern auch wirtschaftlich ist«, be- tont Koschikowski. 2021 soll eine Demonstrationsanlage in Betrieb gehen, die 100 Liter Trinkwasser pro Tag produziert.

64 - Fraunhofer. Das Magazin 4.19 Vor Weih- nachten werden 690 Millionen Pakete zugestellt - 14 Millionen Pakete am Tag. Ein intelligentes Packsystem spart Zeit, Volumen - und Kosten. © Jochen Zick / action press

66 - Fraunhofer. Das Magazin 4.19 »PUZZLE®« berechnet dem Packer die zu verwendende Versandkartonage und die Anordnungen der Artikel darin. Außerdem kann »PUZZLE®« dabei Artikelsorten (Farbe und Nummer der Artikel) zusammenhalten. © Fraunhofer IML Dank »PUZZLE®« und »passt« können in Zukunft Kartonagen gespart werden – im Transporter finden mehr Waren Platz. © Sina Schuldt / dpa Das Assistenz- system »passt« unterstützt die Mitar- beiter dabei, die beste Verpackung zu finden. Die Entwicklung des Packarbeitsplatzes ist Ergebnis einer Kooperation zweier Abteilungen am Fraunhofer IML: Die Abteilung für Software & Information Engineering entwickel­ te die Software »PUZZLE®« zur Verpackungsoptimierung. Die Abteilung für Verpackungs­ und Handelslogistik erarbeitete mit »passt« ein neuartiges Assistenzsystem, das die Ergebnis­ se von »PUZZLE®« visualisiert. In dem Transferprojekt »iPackAssist« des Fraunhofer IML mit der Hüdig + Rocholz GmbH soll die Integration beider Techno­ logien vom Prototypenstatus in einen Vorserienstatus überführt werden. Beide Entwicklungen wurden von dem wissenschaftli­ chen Team des Fraunhofer IML um Georg Wichmann, Benedikt Mättig und Christian Olms maßgeblich erforscht. »PUZZLE®« berechnet das Volumen des Pakets und stellt weitere Informa­ tionen über den Assistenten »passt« zur Verfügung, der die Mitarbeitenden beim Packen unterstützen soll. Da der Assis­ tent durch Visualisierungen einfach zu verstehen ist, müssen die Mitarbeitenden nicht zeitintensiv geschult werden und scheitern dann im Arbeitsalltag auch nicht an Sprachbarrieren. Das gemeinsame Transferprojekt soll helfen, den interaktiven Verpackungsarbeitsplatz der Zukunft zu entwickeln. Bisher wurde es den Mitarbeitenden überlassen, welches Kartonfor­ mat sie für die jeweilige Sendung wählten und wie sie die Ar­ tikel im Karton anordnen. »PUZZLE®« ermittelt Abmessungen, Gewichte und Stückzahlen – und errechnet daraus das opti­ mierte Packen. »passt« führt als Mensch­Maschine­Schnittstel­ le den Mitarbeitenden durch den Verpackungsprozess. Wie funktionierts? Das Assistenzsystem besteht aus zwei beleuchteten Leisten, welche im rechten Winkel im Tisch eingebettet sind, angeord­ net wie in einem Koordinatensystem. Sie geben die Orientie­ rung, wo die Kartonage platziert werden soll. LED­Lampen leuchten an den Stellen, an denen die Pakete eingebettet werden können. Zudem werden verschiedene Farben genutzt, um weitere Zusatzinfos zu geben wie zum Beispiel die maxi­ male Belastung oder Gruppenzugehörigkeit eines Pakets. Das System hat durch intelligente Assistenz eine steile Lernkurve.

68 - Fraunhofer. Das Magazin 4.19 Nach 2020 sind verschiedene neue Fahrzeugmodelle an­ gekündigt, so etwa von Audi und BMW. Auch der Tankstel­ lenausbau schreitet voran, bis 2023 soll es 400 Wasserstoff­ Tankstellen geben, bis 2030 bereits 1000. Während der klassische SUV in Großstädten als Statussymbol inzwischen von manchen gemustert wird wie einst der Pelzmantel, gibt es Potenzial, dass Wasserstoff die neue Mode wird. Das In­ teresse der Politik wächst. Und die Fraunhofer­Institute ISI in Karlsruhe und ISE in Freiburg haben mit Beteiligung von Kol­ leginnen und Kollegen aus den Instituten IMWS in Halle und IKTS in Dresden eine »Wasserstoff­Roadmap« für Deutschland erstellt. Darin sind klare Empfehlungen formuliert, wie die Politik das Wasserstoff­Auto schneller auf die Straße bringen kann. Die Unterstützung des Tankstellenaufbaus zählt dabei zu den wesentlichen Schritten mit dem Ziel, bis 2030 mit öffentlicher Förderung 1000 Tankstellen in Betrieb zu haben. Und: »Zur Unterstützung des Markthochlaufs bieten sich An­ reize zu emissionsfreier Mobilität in der öffentlichen Beschaf­ fung an (Dienstfahrzeuge, Polizeifahrzeuge, Gütertransport).« Wasserstoff- versus Elektroantrieb Welcher Antrieb ist sinnvoll, wenn Deutschland und Europa die Klimaziele ernst nehmen? Dieser Frage sind Forscherinnen und Forscher des Fraunhofer­Instituts für Solare Energie­ systeme ISE in der Studie »Industrialisierung der Wasserstoff­ Elektrolyse in Deutschland« nachgegangen. Im Blickpunkt standen vor allem die CO2­Emissionen von batteriebetrie­ benen, Diesel­ und Wasserstoff­Fahrzeugen, sprich die Treibhausgas­Bilanz. »Unsere Untersuchungen haben gezeigt, dass bei verschiedenen Einsatzgebieten und Fahrzeugtypen Wasserstoff­Brennstoffzellen die günstigste Option darstel­ len«, sagt Prof. Hans­Martin Henning, Leiter des Fraunhofer ISE. »Daher sehen wir Brennstoffzellenfahrzeuge als einen Schlüsselbeitrag zur Mobilität der Zukunft, welcher andere klimaneutrale Antriebsformen komplementieren wird.« Sollte man nun also besser auf Elektro­ oder Wasserstoffantrieb set­ zen? Auch diese Frage beantwortet die Studie: Bei geringen Reichweiten und reinen Stadtfahrten punkten die Batterie­ fahrzeuge. Übersteigen die Reichweiten dagegen 250 bis 300 Kilometer, sind Wasserstoff­Fahrzeuge überlegen. Auch die Kolleginnen und Kollegen des Fraunhofer­Instituts für System­ und Innovationsforschung ISI untersuchten, wie Was­ serstoff zur Defossilisierung beitragen kann – in der »Roadmap Gas«, die sie für das Umweltbundesamt erstellten. »Wasserstoff spielt vor allem dort eine zentrale Rolle, wo sich elektrische Energie schlecht direkt nutzen lässt – also etwa im Schwerlast­, Schiffs­ und Flugverkehr«, fasst Prof. Mario Ragwitz, stellver­ tretender Leiter des Fraunhofer ISI, zusammen. Wirft man einen Blick auf die Anzahl der schweren Lkw und Sattelzugma­ schinen, so ist diese mit 230 000 Fahrzeugen in Deutschland im Vergleich zur Pkw­Zahl sehr gering. Jedoch steckt hier ein gewaltiges Potenzial: Denn die schweren Lkw sind für die Hälfte der Emissionen des Straßengüterverkehrs verantwortlich. Würde man hier auf Brennstoffzellen­Antriebe setzen, könnte man die Emissionen bereits deutlich senken. Brennstoffzellen-Antriebe Die bekannteste Art, Wasserstoff als Kraftstoff zu nutzen, ist die Verstromung mit Brennstoffzellen. Dabei wird Wasserstoff in einem speziellen Tank mitgeführt, in der Brennstoffzelle zu Strom umgesetzt und über einen Elektromotor für den An­ trieb genutzt; unterstützt wird das System in der Regel durch einen kleinen Batteriespeicher für Lastspitzen. Für Anwen­ dungen im Bereich der Mobilität haben sich Polymerelektro­ lyt­Brennstoffzellen, kurz PEM­Brennstoffzellen, durchgesetzt: Diese erzielen eine hohe Leistungsdichte und sehr hohe Dynamiken – wie sie beispielsweise beim schnellen Beschleu­ nigen benötigt werden. »Die Niedertemperatur­PEM­Brenn­ stoffzellen ermöglichen eine emissionsfreie Mobilität in allen Fahrzeugklassen, also bis hin in den Bus­ und Schwerlast­ sowie schienengebundenen Verkehr«, sagt Prof. Christopher Hebling, Bereichsleiter am Fraunhofer ISE. »Durch unsere Forschungsarbeiten von der Grundlagenentwicklung bis zur Produktionsforschung helfen wir dabei, dass die Brennstoff­ zellenmobilität die gleiche Zuverlässigkeit wie die verbren­ nungsmotorische Mobilität aufweist – und das bei gleichen Herstellungskosten.« Bislang sind noch viele Sensoren nötig, um der Brennstoffzelle den Wasserstoff kontinuierlich und in der jeweils benötigten Menge zuzuführen. Diese treiben jedoch die Kosten und erhö­ hen die Fehleranfälligkeit des Systems. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler vom Fraunhofer­Institut für Werkzeug­ maschinen und Umformtechnik IWU entwickeln im Projekt Eco­CC daher gemeinsam mit Partnern ein wirtschaftliches und zugleich zuverlässigeres Mess­ und Regelungskonzept. » Mit diesem Konzept stellen wir sicher, dass die Brennstoff­ zelle mit größtmöglicher Sicherheit und Robustheit arbeitet«, erklärt Prof. Welf­Guntram Drossel, Leiter des Fraunhofer IWU. Für die Optimierung müssen die Forscherinnen und Forscher zahlreiche Parameter und Messsignale im Blick haben: Druck, Temperatur, Feuchte, elektrische Spannung, elektrischer Strom, Gaskonzentrationen, Massenströme und elektrische Leitfähigkeiten. »Wir kombinieren diese Sensordaten mit Prozessmodellen, die so gewonnenen Erkenntnisse fließen in das Regelungskonzept ein«, fügt Drossel hinzu. Das Ziel: Die Brennstoffzellen sollen durch das Regelungskonzept wirt- schaftlicher und effizienter werden. Die Lebensdauer von Brennstoffzellen hat einen großen Ein- fluss darauf, ob sich Wasserstoff-Autos auf Dauer durchsetzen werden. Denn muss man die Brennstoffzelle in einem Auto nach einigen Jahren austauschen lassen, so ist dies mit Mü- hen und Kosten verbunden. Forscherinnen und Forscher am Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM arbeiten dar- an, diese Lebensdauer zu verlängern. Dabei setzen sie an den keramischen und metallischen Materialien an, die in Brenn- In der Stadt und bei kurzen Strecken ha- ben Batterie- fahrzeuge ihre Vorteile. Bei Reichweiten über 250 Kilo- metern beginnt die Überle- genheit der Wasserstoff- Fahrzeuge.

70 - Fraunhofer. Das Magazin 4.19 Wo was wichtig wird: Fraunhofer vor Ort Fraunhofer- Jahrestagung 12. – 13. Mai Hamburg Hannover Messe 20. – 24. April Hannover Weltleitmesse der Industrie Embedded World 25. – 27. Februar Nürnberg Messe für Embedded­ Technologien in den Bereichen Hardware, Software und Tools Optatec 12. – 14. Mai Frankfurt a. M. Internationale Fach­ messe für optische Tech­ nologien, Komponenten und Systeme Control 5. – 8. Mai Stuttgart Internationale Fach messe für Qualitäts sicherung Hamburg Hannover Berlin Frankfurt a. M. Nürnberg Stuttgart München HUB 1. – 2. April Berlin Europe’s Interactive Business Festival for Di­ gital Movers and Makers ILA - Innovation and Leadership Aerospace 13. – 17. Mai Berlin Messe für Luft­ und Raumfahrttechnologien Analytica 31. März – 3. April München Internationale Leitmesse für Labortechnik, Analy­ tik und Biotechnologie IFAT 4. – 8. Mai München Weltleitmesse für Umwelttechnologien

» »Die Verbindung von Quanten und Künstlicher Intelligenz wird nicht weniger sein als eine zukünftige Schlüsseltechnologie, die unsere Wettbewerbsfähigkeit in den internationalen Hightech-Märkten absichern wird.« Prof. Reimund Neugebauer, Präsident der Fraunhofer-Gesellschaft